ES2913252T3 - Method and apparatus of a modular management system for energy storage cells - Google Patents
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Abstract
Un sistema de gestión para dispositivos de almacenamiento de energía recargables que comprende celdas de almacenamiento de energía conectadas en serie (B1, B2, B3, B4, Bn) y una unidad (9) de control, caracterizado por que dicho sistema de gestión además comprende - un circuito (2) de división de celdas que comprende conmutadores (S9, S10) configurados para dividir las celdas de almacenamiento de energía conectadas en serie (B1, B2, B3, B4, Bn) en grupos de celdas, - un circuito (3) de selección de modo que comprende dispositivos de conmutación y un dispositivo (5) óhmico individual y en el que los dispositivos de conmutación están configurados para seleccionar cualquiera de: a) equilibrado de celdas con alimentación externa, en el que el equilibrado de las celdas con alimentación externa es un modo de equilibrado pasivo durante la carga o descarga de los dispositivos de almacenamiento de energía recargables, b) equilibrado de celdas con alimentación interna, en el que el equilibrado de las celdas con alimentación interna es un equilibrado de modo en serie y en paralelo durante un tiempo de reposo, y c) una prueba de diagnóstico con alimentación interna para la estimación del estado de salud o del estado de carga, en la que un grupo de celdas de dichos grupos de celdas divididas con el circuito (2) de división de celdas está adaptado para aplicar una corriente de excitación para someter a prueba otro grupo de celdas de dichos grupos de celdas, y en el que dicho dispositivo (5) óhmico individual determina un nivel de la corriente de equilibrado para dicho equilibrado pasivo y para dicho equilibrado de modo en serie y en paralelo.A management system for rechargeable energy storage devices comprising energy storage cells connected in series (B1, B2, B3, B4, Bn) and a control unit (9), characterized in that said management system further comprises - a cell division circuit (2) comprising switches (S9, S10) configured to divide the series-connected energy storage cells (B1, B2, B3, B4, Bn) into groups of cells, - a circuit ( 3) mode selection comprising switching devices and a single ohmic device (5) and wherein the switching devices are configured to select any of: a) externally powered cell balancing, wherein balancing of the externally powered cells is a mode of passive balancing during charging or discharging of rechargeable energy storage devices, b) internally powered cell balancing, in which balancing d e internally powered cells is a series and parallel mode balancing during a sleep time, and c) an internally powered diagnostic test for estimation of state of health or state of charge, in which a group of cells of said groups of cells divided with the cell division circuit (2) is adapted to apply a driving current to test another group of cells of said groups of cells, and wherein said individual ohmic device (5) determines a level of the balancing current for said passive balancing and for said series and parallel mode balancing.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Procedimiento y aparato de un sistema de gestión modular para celdas de almacenamiento de energíaMethod and apparatus of a modular management system for energy storage cells
La presente invención se refiere a sistemas, procedimientos y dispositivos de gestión tales como sistemas, procedimientos y dispositivos de gestión modular para supervisar, equilibrar y/o proteger un paquete de celdas de almacenamiento de energía tales como celdas de batería y para estimar el estado de una celda o celdas tales como el estado de salud (SoH) y/o el estado de carga (SoC) de una celda o celdas.The present invention relates to management systems, methods and devices such as modular management systems, methods and devices for monitoring, balancing and/or protecting a pack of energy storage cells such as battery cells and for estimating the state of a cell or cells such as the state of health (SoH) and/or the state of charge (SoC) of a cell or cells.
Antecedentes/Estado de la técnicaBackground/State of the art
Los sistemas de almacenamiento de energía recargable (RESS) desempeñan un papel importante en muchas aplicaciones, como las redes inteligentes y los vehículos eléctricos (EV). El rendimiento de los sistemas de gestión RESS necesita mejorar. Por ejemplo, las celdas de almacenamiento recargables en serie deben producir una tensión de salida suficientemente alta y la energía disponible se debe optimizar. Preferiblemente, se debe proporcionar un circuito de equilibrado para asegurar que el cambio de tensión y la capacidad de las celdas de almacenamiento recargables sea casi el mismo durante el proceso de carga y descarga. Además, se debe supervisar la tensión, la corriente y la temperatura para proteger el RESS contra la sobrecarga, la sobredescarga o el sobrecalentamiento. Rechargeable energy storage systems (RESS) play an important role in many applications, such as smart grids and electric vehicles (EVs). The performance of the RESS management systems needs to improve. For example, rechargeable storage cells in series must produce a sufficiently high output voltage and the available power must be optimized. Preferably, a balancing circuit should be provided to ensure that the change in voltage and capacity of the rechargeable storage cells is almost the same during the process of charging and discharging. In addition, voltage, current, and temperature must be monitored to protect the RESS from overcharging, overdischarging, or overheating.
Se requieren tres o cuatro funciones principales para cualquier BMS:Three or four main functions are required for any BMS:
1) supervisar la tensión, la corriente y la temperatura,1) monitor voltage, current and temperature,
2) equilibrar la tensión y la capacidad de las celdas de almacenamiento recargables,2) Balance the voltage and capacity of rechargeable storage cells,
3) estimar el SoH (State of Health) y/o el SoC (State of Charge) de cada celda, y3) estimate the SoH (State of Health) and/or the SoC (State of Charge) of each cell, and
4) proteger opcionalmente el RESS contra la sobrecarga o sobredescarga o el sobrecalentamiento.4) Optionally protect the RESS against overcharging or overdischarging or overheating.
Los sistemas de gestión convencionales tienen un circuito de equilibrado pasivo o activo. Comercialmente, el equilibrado pasivo es popular. El equilibrado pasivo se puede utilizar para equilibrar la tensión y la capacidad de las celdas de energía de los sistemas de almacenamiento de energía recargable mediante el uso de múltiples resistencias que descargan el exceso de energía en las celdas de mayor energía durante las operaciones de carga y descarga. Sin embargo, este procedimiento desperdicia energía y provoca una subida de la temperatura local no deseada y, por lo tanto, se necesita un consumo de energía adicional para enfriar. Otro procedimiento que utiliza el equilibrado activo pierde menos energía, pero es un sistema complejo y costoso. Estos inconvenientes son provocados por los componentes adicionales (es decir, condensador o inductor con resistencias o convertidor CC/CC) que se necesitan para transferir energía desde celdas de mayor energía y después para inyectar esta energía en las celdas de menor energía.Conventional management systems have a passive or active balancing circuit. Commercially, passive balancing is popular. Passive balancing can be used to balance the voltage and capacity of power cells in rechargeable energy storage systems by using multiple resistors that dump excess power into higher power cells during charging and charging operations. download. However, this process wastes energy and causes an unwanted local temperature rise, and therefore additional energy consumption is needed for cooling. Another procedure using active balancing loses less energy, but it is a complex and expensive system. These drawbacks are caused by the additional components (ie capacitor or inductor with resistors or DC/DC converter) that are needed to transfer power from higher power cells and then to inject this power into lower power cells.
Otro aspecto de RESS es detectar el estado de salud/la capacidad restante de las celdas de almacenamiento recargables. El estado de salud (SoH) es la capacidad de la celda de almacenamiento para almacenar y retener energía y, por lo tanto, si su rendimiento o salud se deteriora, se puede determinar.Another aspect of RESS is detecting the health status/remaining capacity of rechargeable storage cells. The state of health (SoH) is the storage cell's ability to store and retain energy, and therefore whether its performance or health deteriorates can be determined.
Se han desarrollado diversos procedimientos para estimar el estado de salud de las celdas de almacenamiento de energía. La mayoría de ellos se basan en una prueba de capacidad o modelos exactos, que dependen de las características electroquímicas y la dinámica de la celda de almacenamiento. La estimación del SoH basada en la prueba de capacidad necesita un tiempo de prueba prolongado (> 2hr) debido al hecho de que la celda debe someterse a un proceso de carga y descarga. Además, el coste de la unidad de medida se ve afectado por la corriente de carga/descarga, que depende de la capacidad nominal de la celda probada.Various procedures have been developed to estimate the health status of energy storage cells. Most of them are based on a capacity test or exact models, which depend on the electrochemical characteristics and dynamics of the storage cell. The estimation of the SoH based on the capacity test needs a long test time (>2hr) due to the fact that the cell must undergo a charging and discharging process. In addition, the cost of the unit of measurement is affected by the charge/discharge current, which depends on the nominal capacity of the tested cell.
En el caso de que se utilice un modelo dinámico, su exactitud puede incrementarse si un modelo de sistema está constituido por circuitos equivalentes de orden superior, pero este es un uso práctico demasiado complejo.In the case where a dynamic model is used, its accuracy can be increased if a system model is constituted by higher order equivalent circuits, but this is too complex a practical use.
En la bibliografía se han informado varios estudios sobre el diseño de un BMS para batería de la siguiente manera: la solicitud de patente estadounidense con n.° 2014/0097787 describe un BMS para equilibrar activamente las tensiones y las capacidades del paquete de baterías. Una matriz de unidades de transferencia de potencia, que se integran en paralelo y se conectan individualmente a las celdas del paquete de baterías para equilibrar las celdas. Sin embargo, como la mayoría de los estudios anteriores, existe una relación directamente proporcional entre la complejidad y la eficacia del circuito. Por ejemplo, el BMS se puede diseñar para disminuir la pérdida de energía y calor, pero se debe usar un circuito complejo mediante el uso de componentes adicionales como unidades de transferencia de potencia, elementos de almacenamiento y conmutadores.Several studies on battery BMS design have been reported in the literature as follows: US Patent Application No. 2014/0097787 describes a BMS for actively balancing battery pack voltages and capacities. An array of power transfer units, which are integrated in parallel and individually connected to the cells of the battery pack to balance the cells. However, like most previous studies, there is a directly proportional relationship between circuit complexity and efficiency. For example, the BMS can be designed to decrease power and heat loss, but a complex circuit must be used by using additional components such as power transfer units, storage elements, and switches.
Para aclarar los intentos anteriores de diseñar el BMS, se deben investigar las dos partes: el modo de equilibrado y el modo de prueba (estimación del SoH y/o del SoC).To clarify the previous attempts to design the BMS, the two parts should be investigated: the balance mode and the test mode (estimation of SoH and/or SoC).
En el caso de equilibrado, la solicitud de patente estadounidense con n.° 2014/0232346 describe un sistema que incluye un circuito de equilibrado de celda activa configurado para equilibrar múltiples celdas de potencia conectadas en serie dentro de un solo módulo. In the case of balancing, US Patent Application No. 2014/0232346 describes a system that includes an active cell balancing circuit configured to balance multiple power cells connected in series within a single module.
A modo de ejemplo adicional, la solicitud de patente estadounidense con n.° 2013/0093248 describe que múltiples baterías están conectadas en serie mediante el uso de un circuito de equilibrado activo. El circuito de equilibrado activo incluye un circuito de resonancia LC y múltiples conmutadores configurados para acoplar de forma selectiva diferentes baterías al circuito de resonancia LC.As a further example, US Patent Application No. 2013/0093248 discloses that multiple batteries are connected in series through the use of an active balancing circuit. The active balancing circuit includes an LC resonance circuit and multiple switches configured to selectively couple different batteries to the LC resonance circuit.
Una desventaja de estos sistemas es que necesitan un tiempo de equilibrado relativamente largo en comparación con el circuito de equilibrado pasivo. Además, la complejidad del sistema aumenta debido al uso de elementos de almacenamiento, tales como un inductor y/o un condensador con los accesorios necesarios.A disadvantage of these systems is that they require a relatively long balancing time compared to the passive balancing circuit. Furthermore, the complexity of the system increases due to the use of storage elements, such as an inductor and/or a capacitor with the necessary accessories.
Algunos sistemas de baterías utilizan un circuito simple para equilibrar las baterías. Estos sistemas se describen, por ejemplo, en la solicitud de patente estadounidense con n.° 2013/0293006, que describe que se puede utilizar una conexión en paralelo para equilibrar baterías conectadas en serie. Sin embargo, se necesitan resistencias adicionales para controlar la corriente y el tiempo de equilibrado, y también se deben usar conmutadores adicionales para cambiar la conexión de la celda de conexión en serie a conexión en paralelo. En la solicitud de patente estadounidense con n.° 2014/0145651, la presente invención se refiere a un circuito que permite equilibrar celdas con una complejidad de circuito reducida mediante el uso de una sola resistencia. Sin embargo, cuando se implementa solo una técnica del equilibrado pasivo, no hay un efecto significativo provocado por la reducción del número de resistencias en la pérdida de energía y de calor del circuito de equilibrado.Some battery systems use a simple circuit to balance the batteries. These systems are described, for example, in US Patent Application No. 2013/0293006, which describes that a parallel connection can be used to balance series-connected batteries. However, additional resistors are needed to control the equilibration current and time, and additional switches must also be used to change the cell connection from series connection to parallel connection. In US Patent Application No. 2014/0145651, the present invention relates to a circuit that allows balancing cells with reduced circuit complexity by using a single resistor. However, when only a passive balancing technique is implemented, there is no significant effect of reducing the number of resistors on the power and heat loss of the balancing circuit.
En el caso del modo de prueba, en algunos sistemas de supervisión de baterías anteriores, es necesario realizar una prueba indeseablemente larga para evaluar el SoH de la batería. Este es especialmente el caso de los sistemas, que requieren que la batería sometida a prueba esté completamente cargada antes de que se pueda realizar una medición del estado de salud. Como ejemplo la solicitud de patente estadounidense con n.° 5.977.750 describe un sistema para calcular el SoH de la batería mediante el seguimiento de la degradación de la capacidad de carga completa de una batería con ciclos.In the case of test mode, in some older battery monitoring systems, an undesirably long test is required to assess the SoH of the battery. This is especially the case for systems, which require the battery under test to be fully charged before a health measurement can be made. As an example, US Patent Application No. 5,977,750 describes a system for calculating battery SoH by tracking the degradation of a battery's full charge capacity with cycles.
Algunos sistemas de supervisión de baterías miden una serie de parámetros electroquímicos y utilizan lógica difusa para calcular el estado de salud de la batería como se describe en la solicitud de patente estadounidense con n.° 7.072.871. A modo de ejemplo adicional, la solicitud de patente estadounidense con n.° 2011/0060538 describe que el SoH de la batería se puede estimar calculando un intervalo de tensiones tomando la convolución de una corriente terminal de la batería química con un intervalo de respuestas a un impulso a partir de una tabla de búsqueda de respuestas a un impulso correspondientes a diferentes estados de salud. En la solicitud de patente estadounidense con n.° 2014/0306712, la invención describe que se determinan dos niveles de tensión y una impedancia de la batería. Se utiliza una tabla de impedancias de la batería para calcular el SoC y el SoH de los sistemas de la batería.Some battery monitoring systems measure a series of electrochemical parameters and use fuzzy logic to calculate the state of health of the battery as described in US Patent Application No. 7,072,871. As a further example, US Patent Application No. 2011/0060538 discloses that the battery SoH can be estimated by calculating a range of voltages by taking the convolution of a battery chemical terminal current with a range of responses to an impulse from a lookup table of impulse responses corresponding to different health states. In US Patent Application No. 2014/0306712, the invention describes that two voltage levels and a battery impedance are determined. A table of battery impedances is used to calculate the SoC and SoH of battery systems.
Una desventaja de estos sistemas de supervisión de baterías es que necesitan almacenar el historial de los parámetros para esa batería en particular y, por lo tanto, aumentan la complejidad del sistema.A disadvantage of these battery monitoring systems is that they need to store the history of the parameters for that particular battery and thus increase the complexity of the system.
El diagnóstico a bordo (OBD) es un término técnico de la industria del automóvil. Se refiere a la función de autodiagnóstico y generación de informes de un vehículo que permite acceder al estado de los diversos subsistemas del vehículo al técnico de reparación de vehículos. El sistema OBD se introdujo a principios de la década de 1980 y se ha desarrollado en función de los cambios en los ordenadores instalados a bordo de vehículos. Los sistemas OBD recientes utilizan un puerto de comunicaciones digitales estandarizado para proporcionar datos en tiempo real, además de una serie estandarizada de códigos de diagnóstico de problemas, o DTC, que permiten identificar y corregir rápidamente averías en el funcionamiento del vehículo. Algunos sistemas de supervisión de baterías miden la impedancia de CA a 1 kHz mediante el uso de señales sinusoidales muy pequeñas. La impedancia de CA a esta frecuencia también se denomina "impedancia de resonancia" y se ha intentado encontrar una relación entre la salud de la batería y la impedancia de resonancia. Estos sistemas se describen, por ejemplo, en Kazuhiko. T, Quick testing of batteries in lithium-ion battery packs with impedance-measuring technology, Journal of power sources 128 (2004) 67-75. Sin embargo, se necesitan componentes externos (es decir, un generador de funciones con conmutadores) para aplicar una pequeña señal sinusoidal a fin de calcular la impedancia de CA de la celda de batería. Además, solo se utiliza un tipo de batería de iones de litio para "demostrar" que existe una regresión lineal entre la impedancia de resonancia y la capacidad restante de la batería. En la práctica, debido al uso de una señal sinusoidal muy pequeña, se necesita un filtro avanzado para eliminar la influencia del ruido y la interferencia de los dispositivos circundantes. On-Board Diagnostics (OBD) is a technical term from the automotive industry. Refers to a vehicle's self-diagnostic and reporting function that allows the vehicle repair technician to access the status of the vehicle's various subsystems. The OBD system was introduced in the early 1980s and has developed based on changes in vehicle on-board computers. Recent OBD systems use a standardized digital communications port to provide real-time data, as well as a standardized series of Diagnostic Trouble Codes, or DTCs, to quickly identify and correct vehicle malfunctions. Some battery monitoring systems measure AC impedance at 1 kHz using very small sinusoidal signals. The AC impedance at this frequency is also called the "resonance impedance" and attempts have been made to find a relationship between the health of the battery and the resonant impedance. These systems are described, for example, in Kazuhiko. T, Quick testing of batteries in lithium-ion battery packs with impedance-measuring technology, Journal of power sources 128 (2004) 67-75. However, external components (ie a function generator with switches) are required to apply a small sinusoidal signal to calculate the AC impedance of the battery cell. Also, only one type of lithium-ion battery is used to "prove" that there is a linear regression between resonance impedance and remaining battery capacity. In practice, due to the use of a very small sinusoidal signal, an advanced filter is needed to remove the influence of noise and interference from surrounding devices.
En el documento EP2490315A1, se describe un módulo de equilibrado de celdas en el que se utiliza una resistencia para el equilibrado pasivo y en el que también se puede utilizar un cargador externo, concretamente, un convertidor de potencia CC-CC para suministrar cargas a la batería. Todas las celdas de la batería están conectadas en serie. In EP2490315A1, a cell balancing module is described in which a resistor is used for passive balancing and in which an external charger, namely a DC-DC power converter, can also be used to supply loads to the cell. drums. All battery cells are connected in series.
En el documento US8648602B2, se describe un sistema de detección de impedancia para una batería. Se describe un circuito de inyección dedicado para inyectar corriente por separado en celdas de batería individuales con fines de prueba.In US8648602B2, an impedance detection system for a battery is described. A dedicated injection circuit is described for separately injecting current into individual battery cells for testing purposes.
En el documento US7274170B2 se describe un módulo de control del paquete de baterías en el que se utiliza una resistencia de descarga para equilibrar las celdas conectadas en serie del paquete de baterías. In US7274170B2 a battery pack control module is described in which a discharge resistor is used to balance the series connected cells of the battery pack.
Objetivo/PropósitoObjective/Purpose
Sigue existiendo la necesidad de desarrollar un procedimiento, sistema y dispositivo de gestión de celdas de almacenamiento de energía, preferiblemente de forma modular que, por ejemplo, como una opción mejora una o más desventajas de la técnica anterior. Las realizaciones de la presente invención abordan estas ventajas tales como proporcionar uno o ambos de estos:There remains a need to develop an energy storage cell management method, system and device, preferably in a modular form that, for example, as an option improves on one or more disadvantages of the prior art. Embodiments of the present invention address these advantages such as providing one or both of these:
1. Los modos de equilibrado pasivo/activo y de prueba (p. ej., una prueba de diagnóstico para estimar el SoH/SoC) se realizan de manera eficaz sin usar fuentes externas o componentes adicionales (p. ej., un condensador o inductor) gracias a una disposición de dispositivos de conmutación dedicados que utilizan dispositivos bidireccionales y conmutadores unidireccionales opcionalmente conectados a un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia.1. Passive/active balancing and test modes (eg, a diagnostic test to estimate the SoH/SoC) are performed efficiently without using external sources or additional components (eg, a capacitor or inductor) thanks to an arrangement of dedicated switching devices using bidirectional devices and unidirectional switches optionally connected to a single ohmic device such as a resistor.
2. Un sistema de equilibrado de celdas simple y modular, que se puede utilizar para una amplia variedad de diferentes diseños de celdas de almacenamiento de energía, tal como algunas o todas las tecnologías de batería para realizar el equilibrado de tal manera que la pérdida de calor sea baja o menor y/o hay un consumo energético bajo o menor; 2. A simple and modular cell balancing system, which can be used for a wide variety of different energy storage cell designs, such as some or all battery technologies to balance in such a way that the loss of heat is low or less and/or there is low or less energy consumption;
3. Una prueba eficaz, que se puede utilizar de forma rápida, fiable y sencilla, por ejemplo, como una comprobación del estado de OBD sin utilizar una fuente externa, por ejemplo, para estimar el SoH y/o del SoC de las celdas de almacenamiento de energía o de paquetes de celdas tales como las baterías.3. An effective test, which can be used quickly, reliably and easily, for example as an OBD status check without using an external source, for example to estimate the SoH and/or SoC of fuel cells. energy storage or cell packs such as batteries.
Compendio de la invenciónSummary of the invention
En un aspecto de la presente invención, las realizaciones se refieren a un procedimiento, sistema y dispositivos de gestión para sistemas de almacenamiento de energía recargable (RESS) multicelulares. En realizaciones de la presente invención, la misma configuración se puede utilizar para supervisar y/o proteger y/o equilibrar y/o cargar y/o someter a prueba y/o controlar un RESS que comprende celdas de energía recargables. Por ejemplo, las celdas RESS se pueden conectar en serie. En otras realizaciones de la presente invención se proporcionan procedimientos, sistemas y dispositivos para realizar el equilibrado de las celdas con las ventajas de una menor pérdida de energía y, por tanto, una disminución de la pérdida de calor, lo que da como resultado un sistema de enfriamiento compacto opcionalmente de baja potencia para un circuito de equilibrado.In one aspect of the present invention, embodiments relate to a method, system, and management devices for multicellular rechargeable energy storage systems (RESS). In embodiments of the present invention, the same configuration can be used to monitor and/or protect and/or balance and/or charge and/or test and/or control a RESS comprising rechargeable power cells. For example, RESS cells can be connected in series. In other embodiments of the present invention, methods, systems and devices are provided to balance the cells with the advantages of less energy loss and, therefore, a decrease in heat loss, which results in a system optionally low power compact cooling unit for a balancing circuit.
En otro aspecto, la presente invención proporciona un sistema de gestión como un sistema de gestión modular que comprende conmutadores bidireccionales y unidireccionales conectados a un dispositivo de disipación de la energía, por ejemplo, un dispositivo óhmico individual, tal como una resistencia para ejecutar eficazmente un equilibrado pasivo/activo, y un modo de prueba para la estimación del SoH/SoC que se puede describir como un proceso de función dual (DFP) preferiblemente sin utilizar ningún componente adicional o externo (es decir, condensador o inductor o convertidor CC/CC o fuente de alimentación).In another aspect, the present invention provides a management system such as a modular management system comprising bidirectional and unidirectional switches connected to a power dissipation device, for example, a single ohmic device, such as a resistor to efficiently execute a balanced passive/active, and a test mode for SoH/SoC estimation which can be described as a dual function process (DFP) preferably without using any additional or external components (i.e. capacitor or inductor or DC/DC converter or power supply).
Las realizaciones de la presente invención describen un sistema de gestión como un sistema de gestión modular para dispositivos de almacenamiento de energía recargables que comprende:Embodiments of the present invention describe a management system as a modular management system for rechargeable energy storage devices comprising:
celdas de almacenamiento de energía conectadas en serie,series connected energy storage cells,
un medio de división de celdas tales como un circuito de división de celdas para dividir o separar las celdas de energía conectadas en serie en grupos de celdas, el medio de división de celdas o el circuito de división de celdas que comprende unos primeros dispositivos de conmutación bidireccionales; ya cell dividing means such as a cell dividing circuit for dividing or separating series-connected power cells into groups of cells, the cell dividing means or the cell dividing circuit comprising first switching devices bidirectional; Y
una unidad de control,a control unit,
el sistema que comprende: un circuito de selección de modo que comprende los primeros dispositivos de conmutación unidireccionales, los primeros dispositivos de conmutación unidireccionales del circuito de selección de modo que están adaptados y configurados para permitir la selección de un modo de gestión seleccionado entre cualquiera de un modo de equilibrado o un modo de prueba o un modo de carga o un modo de funcionamiento de descarga, the system comprising: a mode selection circuit comprising the first one-way switching devices, the first one-way switching devices of the mode selection circuit being adapted and configured to allow the selection of a management mode selected from any of a balancing mode or a test mode or a charging mode or a discharging mode of operation,
que además comprende un circuito de equilibrado de la corriente que tiene unos segundos dispositivos de conmutación bidireccionales, una corriente de equilibrado, que puede extraerse o inyectarse en una cualquiera o más de las celdas de energía recargables que pasan a través del circuito de equilibrado de la corriente, los segundos dispositivos de conmutación bidireccionales que están adaptados para permitir que unidad de control seleccione una corriente de equilibrado para que fluya desde o hacia una celda.further comprising a current balancing circuit having second bidirectional switching devices, a balancing current, which can be drawn from or injected into any one or more of the rechargeable power cells passing through the battery balancing circuit current, the second bidirectional switching devices being adapted to allow the control unit to select a balancing current to flow to or from a cell.
En realizaciones de un circuito o procedimiento de equilibrado, se utiliza un dispositivo óhmico, tal como una resistencia (o se utiliza un número limitado de dispositivos óhmicos, p. ej., menos de cinco o menos de tres) para lograr el equilibrado de una o más celdas de almacenamiento de energía, tales como baterías en un paquete mediante el uso de dos modos de equilibrado:In embodiments of a balancing circuit or method, an ohmic device, such as a resistor, is used (or a limited number of ohmic devices are used, e.g., fewer than five or fewer than three) to achieve balancing of a or more energy storage cells such as batteries in a pack by using two balancing modes:
1) realizaciones en modo de equilibrado pasivo, por ejemplo, con un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia, y, 1) embodiments in passive balanced mode, for example, with a single ohmic device such as a resistor, and,
2) realizaciones con un modo de equilibrado RESS con alimentación interna que incluyen realizaciones conectadas en serie y en paralelo. Las realizaciones del equilibrado pasivo funcionan tanto en la carga como en la descarga para equilibrar al menos parcialmente las celdas de energía recargables, tales como las baterías. Estas realizaciones pueden mantener las diferencias de capacidad y tensión alrededor de un límite de umbral gracias a una disposición de dispositivos de conmutación dedicados. Por lo tanto, las celdas de almacenamiento de energía recargables pueden protegerse contra la sobrecarga o la descarga excesiva durante la carga rápida y la descarga profunda, respectivamente. Al usar el mismo dispositivo óhmico, p. ej., un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia, gracias a la disposición de los dispositivos de conmutación dedicados, el modo de equilibrado RESS con alimentación interna, incluidas las realizaciones del equilibrado en serie y en paralelo, puede utilizar una parte o la mayor parte de, o todo un tiempo de reposo (tiempo de inactividad) para equilibrar completamente las tensiones y las capacidades de las celdas de energía recargables cambiando las conexiones de las celdas, p. ej., de serie a paralelo. Se puede usar la misma configuración para la estimación del SoH mediante el uso del modo de prueba de la impedancia de CA. Diferentes topologías RESS pueden integrarse y usarse juntas en el mismo sistema de almacenamiento de energía mediante el uso de realizaciones de la presente invención.2) Embodiments with an internally powered RESS balance mode including series and parallel connected embodiments. Passive balancing embodiments function on both charge and discharge to at least partially balance rechargeable power cells, such as batteries. These embodiments can keep the capacitance and voltage differences around a threshold limit thanks to an arrangement of dedicated switching devices. Therefore, rechargeable energy storage cells can be protected against overcharging or overdischarging during fast charging and deep discharging, respectively. By using the same ohmic device, e.g. For example, a single ohmic device such as a resistor, thanks to the provision of dedicated switching devices, the internally powered RESS balancing mode, including both series and parallel balancing embodiments, can use some or most of the part of, or all of a standby time (idle time) to fully balance the voltages and capacities of the rechargeable power cells by changing the cell connections, e.g. i.e. series to parallel. The same setup can be used for SoH estimation by using the AC impedance test mode. Different RESS topologies can be integrated and used together in the same energy storage system by using embodiments of the present invention.
Las realizaciones de la presente invención proporcionan sistemas, procedimientos y dispositivos para módulos/paquetes RESS multicelulares. Los módulos/paquetes RESS multicelulares se usan comúnmente en aplicaciones tales como: dispositivos electrónicos, equipos médicos, aplicaciones automotrices y estacionarias, y en vehículos de transporte para conectar celdas de almacenamiento de energía recargables conectadas en serie. Con estos paquetes/módulos RESS multicelulares, se puede producir un desequilibrio de las celdas y algunas celdas de almacenamiento de energía recargables pueden envejecer más rápido que otras. El desequilibrio puede producirse, por ejemplo, debido a ligeras diferencias en el SoC, en la tasa de autodescarga, en la capacidad, en la impedancia o en las características de temperatura de las celdas de almacenamiento de energía recargables que están conectadas en serie. Incluso para las celdas que tienen la misma tecnología del mismo fabricante e incluso proceden del mismo lote de producción, es posible que el envejecimiento no sea uniforme para todas las celdas.Embodiments of the present invention provide systems, methods, and devices for multicellular RESS modules/packets. Multi-cell RESS modules/packages are commonly used in applications such as: electronic devices, medical equipment, automotive and stationary applications, and in transportation vehicles to connect series-connected rechargeable energy storage cells. With these multi-cell RESS packs/modules, cell imbalance can occur and some rechargeable energy storage cells can age faster than others. Imbalance can occur, for example, due to slight differences in SoC, self-discharge rate, capacity, impedance, or temperature characteristics of rechargeable energy storage cells that are connected in series. Even for cells that have the same technology from the same manufacturer and even come from the same production lot, aging may not be uniform for all cells.
Por ejemplo, la desigualdad de las tasas y niveles de envejecimiento puede proceder de una variación muy pequeña en el dimensionamiento o una composición química o un efecto de distribución de temperatura durante el funcionamiento. Como resultado, la resistencia interna de estas celdas de almacenamiento de energía recargables puede aumentar, lo que con el tiempo puede dar lugar a que fallen. Si solo falla una celda de almacenamiento, todo el módulo también falla debido a la conexión en serie. Por lo tanto, debe utilizarse un sistema de gestión eficaz para asegurar que todas las celdas de almacenamiento recargables envejezcan al mismo ritmo. De forma alternativa, las celdas de almacenamiento de energía, como las baterías, pueden desarrollar una autodescarga, una distribución de corriente irregular y un cortocircuito interno. Esto puede resultar en un sobrecalentamiento de la celda e incluso en una explosión.For example, unevenness in aging rates and levels may result from a very small variation in sizing or a chemical composition or temperature distribution effect during operation. As a result, the internal resistance of these rechargeable energy storage cells can increase, which can lead to failure over time. If only one storage cell fails, the entire module also fails due to the serial connection. Therefore, an effective management system must be used to ensure that all rechargeable storage cells age at the same rate. Alternatively, energy storage cells, such as batteries, can develop self-discharge, uneven current distribution, and an internal short circuit. This can result in the cell overheating and even in an explosion.
Las realizaciones de la presente invención pueden proporcionar uno o más de los siguientes:Embodiments of the present invention may provide one or more of the following:
• procedimientos, y/o sistemas y/o dispositivos de equilibrado RESS, que proporcionan un equilibrado con pérdida de energía y/o calor baja o menor;• procedures, and/or RESS balancing systems and/or devices, which provide balancing with low or less energy and/or heat loss;
• un sistema y/o procedimiento y/o dispositivo de enfriamiento simplificado para un circuito de equilibrado con el fin de reducir el consumo de energía y, opcionalmente, reducir el coste total de funcionamiento;• a simplified cooling system and/or procedure and/or device for a balancing circuit in order to reduce energy consumption and, optionally, reduce the total cost of operation;
• disposición de un proceso de función dual (DFP), lo que significa dividir o separar el paquete de celdas de energía recargables, tal como un paquete de baterías, en dos o más módulos independientes (aislados), cada uno de los cuales comprende celdas del paquete de celdas de energía recargables, tal como un paquete de baterías. Cada módulo dividido está configurado para desempeñar una función dual, tal como una fuente de alimentación de CC por sí mismo, y cada uno de esos módulos se puede usar como un medio para equilibrar y/o aplicar un pulso de CC (p. ej., sin usar una alimentación externa) a otro módulo de este tipo en un RESS para llevar a cabo una prueba de diagnóstico, como p. ej. estimar el SoC o el SoH de la(s) celda(s) de almacenamiento gracias a la disposición de los conmutadores dedicados (conmutadores bidireccionales y unidireccionales conectados opcionalmente a un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia);• arrangement of a dual function process (DFP), which means dividing or separating the rechargeable power cell pack, such as a battery pack, into two or more independent (isolated) modules, each comprising cells of the rechargeable power cell pack, such as a battery pack. Each split module is configured to perform a dual function, such as a DC power supply of its own, and each of those modules can be used as a means to balance and/or apply a DC pulse (eg. , without using an external power supply) to another such module in a RESS to perform a diagnostic test, e.g. eg estimate the SoC or SoH of the storage cell(s) thanks to the arrangement of the dedicated switches (bidirectional and unidirectional switches optionally connected to a single ohmic device such as a resistor);
• disposición de un circuito, sistema y/o procedimiento de equilibrado modular, que se puede utilizar para equilibrar diferentes tecnologías RESS;• provision of a modular balancing circuit, system and/or procedure, which can be used to balance different RESS technologies;
• disposición de un procedimiento de prueba genérico y/o rápido y/o simple, y/o sistema de prueba y/o dispositivo de prueba para estimar el SoH o el SoC de celdas de energía recargables tales como baterías;• provision of a generic and/or rapid and/or simple test procedure, and/or test system and/or test device to estimate the SoH or SoC of rechargeable power cells such as batteries;
• disposición de un procedimiento y/o sistema y/o dispositivo RESS flexible que pueda integrarse con diferentes tipos de convertidores electrónicos de potencia. • Provision of a flexible RESS procedure and/or system and/or device that can be integrated with different types of power electronic converters.
Las realizaciones de la presente invención proporcionan, por ejemplo, uno, algunos o todos de:Embodiments of the present invention provide, for example, one, some, or all of:
• Un sistema y/o procedimiento y/o dispositivo de gestión modular para celdas de almacenamiento de energía recargables o paquetes de celdas con una nueva configuración, mediante el uso de conmutadores bidireccionales y unidireccionales opcionalmente conectados a un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia.• A modular management system and/or method and/or device for rechargeable energy storage cells or cell packs with a new configuration, by using bidirectional and unidirectional switches optionally connected to a single ohmic device such as a resistor.
• Un sistema y/o procedimiento y/o dispositivo de gestión modular que comprende un grupo de conmutadores (como conmutadores bidireccionales y/o unidireccionales), por ejemplo, con un dispositivo óhmico individual tal como una primera resistencia para proporcionar un circuito flexible y/o sistema y/o procedimiento que permite el funcionamiento para diferentes aplicaciones y/o permite la integración con otros circuitos. Además, opcionalmente, se puede conectar un segundo dispositivo óhmico, tal como una resistencia, en paralelo con el dispositivo óhmico individual, tal como la primera resistencia, para cambiar la resistencia interna del circuito de equilibrado y, por lo tanto, la tasa de equilibrado.• A modular management system and/or method and/or device comprising a group of switches (such as bidirectional and/or unidirectional switches), for example with an individual ohmic device such as a first resistor to provide a flexible circuit and/or or system and/or procedure that allows operation for different applications and/or allows integration with other circuits. Also, optionally, a second ohmic device, such as a resistor, can be connected in parallel with the single ohmic device, such as the first resistor, to change the internal resistance of the balancing circuit, and thus the balancing rate. .
• Un sistema y/o procedimiento y/o dispositivo de almacenamiento de energía para aplicaciones a pequeña y gran escala con buena, p. ej., alta eficacia.• An energy storage system and/or method and/or device for small and large scale applications with good e.g. i.e. high efficiency.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular puede comprender conmutadores bidireccionales y unidireccionales conectados, por ejemplo, a un dispositivo óhmico individual, tal como una resistencia, para gestionar eficazmente las celdas de almacenamiento de energía recargables durante el proceso de funcionamiento y el tiempo de reposo inactivo.• The modular management system, procedure or device may comprise bidirectional and unidirectional switches connected, for example, to a single ohmic device, such as a resistor, to effectively manage the rechargeable energy storage cells during the operating process and time. idle idle.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular puede comprender conmutadores bidireccionales y unidireccionales con, por ejemplo, un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia utilizada para proteger las celdas de almacenamiento de energía recargables que están conectadas mediante una disposición de conmutadores en serie.• The modular management system, method or device may comprise bidirectional and unidirectional switches with, for example, a single ohmic device such as a resistor used to protect rechargeable energy storage cells that are connected by a series switch arrangement.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular puede comprender conmutadores bidireccionales y unidireccionales con, por ejemplo, un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia adaptada para realizar dos modos de equilibrado para evitar cualquier desequilibrio entre las celdas de almacenamiento de energía recargables.• The modular management system, method or device may comprise bidirectional and unidirectional switches with, for example, a single ohmic device such as a resistor adapted to perform two balancing modes to avoid any imbalance between the rechargeable energy storage cells.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular puede comprender conmutadores bidireccionales y unidireccionales con, por ejemplo, un dispositivo óhmico individual, tal como una resistencia utilizada con un grupo de celdas, por ejemplo, para proporcionar un DFP para un modo de prueba mediante la aplicación de una corriente de excitación para someter a prueba otro grupo de celdas.• The modular management system, procedure or device may comprise bidirectional and unidirectional switches with, for example, a single ohmic device, such as a resistor used with a group of cells, for example, to provide a DFP for a test mode using applying a drive current to test another group of cells.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular adaptado para realizar dos modos de equilibrado que proporcionan un modo de equilibrado pasivo durante la carga y la descarga, y un modo de equilibrado con alimentación interna que incluye un modo en serie y en paralelo durante un tiempo de reposo inactivo.• The modular management system, method, or device adapted to perform two balancing modes providing a passive balancing mode during charging and discharging, and an internally powered balancing mode that includes a series and parallel mode during a idle sleep time.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular en el que el modo de equilibrado pasivo está adaptado para proteger las celdas de almacenamiento de energía recargables contra la sobrecarga o la sobredescarga.• The modular management system, procedure or device in which the passive balancing mode is adapted to protect rechargeable energy storage cells from overcharging or overdischarging.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular puede comprender un modo de equilibrado con alimentación interna que incluye un modo en serie y en paralelo que se adapta para completar el equilibrado de las celdas de almacenamiento de energía recargables durante un tiempo de reposo inactivo.• The modular management system, method or device may comprise an internally powered balancing mode including a series and parallel mode that is adapted to complete the balancing of the rechargeable energy storage cells during an inactive standby time.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular en el que se adapta el modo de prueba (opcionalmente basado en un DFP) para aplicar una señal de corriente de excitación (por ejemplo, una modulación de onda cuadrada o cuasi cuadrada o de ancho de pulso). Posteriormente, se mide una señal de la tensión de respuesta sin usar alimentación externa. A continuación, estas señales se convierten del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia mediante el uso de una serie de formas de onda ortogonales, tal como en la transformada discreta de Fourier, para calcular la impedancia de CA en función de los niveles de frecuencia.• The modular management system, procedure, or device in which the test mode (optionally based on a DFP) is adapted to apply an excitation current signal (for example, a square or quasi-square wave or bandwidth modulation). pulse). Subsequently, a response voltage signal is measured without using external power. These signals are then converted from the time domain to the frequency domain by using a series of orthogonal waveforms, such as in the discrete Fourier transform, to calculate the AC impedance as a function of frequency levels. .
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular en el que se mide la impedancia de CA para proporcionar un valor de una impedancia interna de las celdas de almacenamiento de energía recargables, especialmente la impedancia de CA a 1 kHz, que se denomina impedancia de resonancia.• The modular management system, procedure, or device in which AC impedance is measured to provide a value for an internal impedance of rechargeable energy storage cells, especially the AC impedance at 1 kHz, which is called the impedance of resonance.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión en el que se calcula la impedancia de resonancia y se utiliza para estimar el SoH o el SoC de las celdas de almacenamiento de energía recargables mediante un modelo genérico de envejecimiento. El modelo genérico de envejecimiento puede relacionar la impedancia de resonancia con el estado de carga. Por ejemplo, en el modelo, la impedancia de resonancia se puede definir mediante: im yfsófi+c ■ en el cual A, B y C son constantes. • The management system, procedure or device in which the resonance impedance is calculated and used to estimate the SoH or SoC of rechargeable energy storage cells using a generic aging model. The generic aging model can relate the resonance impedance to the state of charge. For example, in the model, the resonance impedance can be defined by: im yfsófi+c ■ in which A, B and C are constants.
• El sistema, procedimiento o dispositivo de gestión modular puede integrarse en una red mediante el uso de una sola etapa, una etapa doble o un convertidor multipuerto y/o multinivel.• The modular management system, procedure or device can be integrated into a network through the use of a single stage, a double stage or a multi-port and/or multi-level converter.
• Un sistema de gestión modular para sistemas de almacenamiento de energía recargable que comprende celdas de almacenamiento de energía conectadas entre sí en una matriz de celdas, el sistema que comprende: una unidad de control para decidir el modo de funcionamiento, tal como el modo de equilibrado, prueba o protección, un matriz de sensores de tensión para medir una tensión de cada celda en el paquete de almacenamiento de energía individualmente, un sensor de corriente para determinar si el tipo de funcionamiento del paquete de almacenamiento de energía es carga, descarga o reposo, conmutadores controlables para seleccionar un modo de equilibrado para las celdas o un modo de prueba para las celdas, el modo de equilibrado que es uno de pasivo, equilibrado en serie y en paralelo y un controlador que recibe la salida de los sensores de tensión y corriente y para controlar los conmutadores controlables de modo que cuando las celdas se cargan o se descargan, las salidas de los sensores de tensión se envían al controlador, y en base a una comparación de las salidas recibidas, el controlador se adapta para iniciar el modo de equilibrado pasivo, y cuando el modo de funcionamiento está en reposo, el controlador se adapta para iniciar el modo de equilibrado en serie y en paralelo seguido de un modo de prueba para estimar el SoH y/o el SoC.• A modular management system for rechargeable energy storage systems comprising energy storage cells connected to each other in a cell array, the system comprising: a control unit for deciding the mode of operation, such as the mode of balanced, test, or protection, a voltage sensor array to measure a voltage of each cell in the energy storage pack individually, a current sensor to determine whether the energy storage pack's operating type is charging, discharging, or sleep, controllable switches to select a balanced mode for the cells or a test mode for the cells, the balance mode which is one of passive, series and parallel balanced, and a controller that receives the output from the voltage sensors and current and to control the controllable switches so that when the cells are charged or discharged, the outputs of the voltage are sent to the controller, and based on a comparison of the received outputs, the controller adapts to initiate passive balancing mode, and when the operating mode is idle, the controller adapts to initiate passive balancing mode. series and parallel followed by a test mode to estimate the SoH and/or SoC.
• Los conmutadores controlables pueden incluir conmutadores unidireccionales y bidireccionales.• Controllable switches can include unidirectional and bidirectional switches.
• Los conmutadores unidireccionales se pueden utilizar para seleccionar los modos de funcionamiento (pasivo o serie-paralelo o prueba).• One-way switches can be used to select modes of operation (passive or series-parallel or test).
• Los conmutadores bidireccionales se pueden usar para controlar la dirección actual desde o hacia la celda según el modo de funcionamiento y también para dividir el paquete.• Bidirectional switches can be used to control the current direction to or from the cell depending on the mode of operation and also to split the packet.
• Los modos de equilibrado se pueden realizar, por ejemplo, con un dispositivo óhmico individual en serie gracias a la disposición de los conmutadores inteligentes.• Balancing modes can be realized, for example, with a single ohmic device in series thanks to the smart switch arrangement.
• Se puede llevar a cabo un modo de prueba, por ejemplo, mediante el uso de un proceso de función dual (DFP) para evitar el uso de una alimentación externa gracias a la disposición de los conmutadores dedicados (conmutadores bidireccionales y unidireccionales conectados opcionalmente a un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia) con el objetivo de estimar el SoH y/o el SoC.• A test mode can be carried out, for example, by using a dual function process (DFP) to avoid the use of an external power supply thanks to the provision of dedicated switches (bidirectional and unidirectional switches optionally connected to a single ohmic device such as a resistor) in order to estimate the SoH and/or the SoC.
• Un modo de protección puede incluir desconectar el paquete de baterías en caso de fallo.• A mode of protection may include disconnecting the battery pack in the event of a fault.
• La unidad de control se puede conectar a los circuitos de interfaz mediante el uso de la unidad de comunicación para visualizar el estado y el rendimiento de un paquete.• The control unit can be connected to the interface circuits by using the communication unit to display the status and performance of a packet.
Las realizaciones de la presente invención proporcionan un sistema, procedimiento o dispositivo que se puede utilizar para diferentes aplicaciones, por ejemplo, cualquiera de las siguientes:Embodiments of the present invention provide a system, method, or device that can be used for different applications, for example, any of the following:
• Conexión de primera vida, es decir, nuevas celdas de almacenamiento de energía, tales como en módulos de almacenamiento de baterías para aplicaciones de redes inteligentes de automóviles;• Life-first connection, ie new energy storage cells, such as in battery storage modules for automotive smart grid applications;
• Conexión de celdas de almacenamiento de energía de segunda vida, como en módulos de batería, que se eliminan de las aplicaciones de automoción, a otras aplicaciones de redes inteligentes;• Connecting second life energy storage cells, such as in battery modules, which are removed from automotive applications, to other smart grid applications;
• Integrar diferentes tecnologías de almacenamiento de energía recargable en una aplicación específica.• Integrate different rechargeable energy storage technologies in a specific application.
• Integración flexible con un sistema de almacenamiento de energía auxiliar, tal como en un sistema de almacenamiento de batería y sistemas de energía renovable (p. ej., turbina eólica, generación de energía mareomotriz, sistemas de generación de calor o electricidad geotérmica, o fotovoltaica o similar), mediante la disposición de dispositivos de conmutación bidireccionales y/o conmutación unidireccionales dedicados que incluyen un circuito de selección de modo y un circuito de equilibrado de la corriente.• Flexible integration with an auxiliary energy storage system, such as in a battery storage system and renewable energy systems (eg, wind turbine, tidal power generation, geothermal heat or power generation systems, or photovoltaic or the like), by arranging dedicated bidirectional switching and/or unidirectional switching devices including a mode selection circuit and a current balancing circuit.
Una invención independiente incluye un sistema, procedimiento o dispositivo para la estimación del SoH de las celdas de almacenamiento de energía recargables mediante el uso de un modelo genérico de envejecimiento. El modelo genérico de envejecimiento puede relacionar la impedancia de resonancia con el estado de carga. Por ejemplo, en el modelo, la impedancia de resonancia se puede definir mediante: im yfsóH+c ■ en el cual A, B y C son constantes.A separate invention includes a system, method, or device for estimating the SoH of rechargeable energy storage cells using a generic aging model. The generic aging model can relate the resonance impedance to the state of charge. For example, in the model, the resonance impedance can be defined by: im yfsóH+c ■ in which A, B and C are constants.
En otro aspecto, se proporciona un sistema de gestión o un sistema de gestión modular para dispositivos de almacenamiento de energía recargables que comprende celdas de almacenamiento de energía conectadas en serie, conmutadores bidireccionales y unidireccionales conectados a un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia para ejecutar eficazmente un proceso de función dual (DFP) (p. ej., equilibrado pasivo/activo y modo de prueba para la estimación del SoH/SoC) preferiblemente sin usar ningún componente adicional o externo. In another aspect, a management system or modular management system for rechargeable energy storage devices is provided comprising series connected energy storage cells, bidirectional and unidirectional switches connected to a single ohmic device such as a resistor for executing effectively a dual function process (DFP) (eg passive/active balancing and test mode for SoH/SoC estimation) preferably without using any additional or external components.
El DFP proporciona la división o separación del paquete de celdas de energía recargable, tal como un paquete de baterías, en dos o más módulos independientes, cada módulo dividido desempeña una función dual, como por ejemplo, ser una fuente de alimentación de CC. Cada módulo de este tipo se puede utilizar como un medio para equilibrar y/o aplicar un pulso de CC (sin utilizar alimentación externa) a otro módulo de este tipo en un RESS para estimar un estado como el SoH de la(s) celda(s) de almacenamiento gracias a una disposición de conmutadores dedicados (p. ej., conmutadores bidireccionales y unidireccionales preferiblemente conectados a un dispositivo óhmico individual tal como una resistencia); y una unidad de control.The DFP provides for the division or separation of the rechargeable power cell pack, such as a battery pack, into two or more independent modules, each divided module performing a dual function, such as being a DC power source. Each such module can be used as a means to balance and/or apply a DC pulse (without using external power) to another such module in a RESS to estimate a state such as the SoH of the cell(s). s) storage by means of a dedicated switch arrangement (eg bidirectional and unidirectional switches preferably connected to a single ohmic device such as a resistor); and a control unit.
En otro aspecto, se proporciona un sistema para su uso en cualquiera de las realizaciones de la presente invención que comprende: un circuito de selección de modo que comprende dispositivos de conmutación bidireccionales y unidireccionales opcionalmente conectados a una resistencia individual, estando adaptados y configurados los conmutadores unidireccionales del circuito de selección de modo para permitir la selección de un modo de gestión seleccionado entre un modo de equilibrado o un modo de prueba o un modo de funcionamiento de carga o descarga, que además comprende un circuito de equilibrado de la corriente que tiene conmutadores bidireccionales, una corriente de equilibrado, que puede extraerse o inyectarse en una o más de las celdas de energía recargables que pasan a través del circuito de equilibrado de la corriente, los conmutadores bidireccionales que están adaptados para permitir que la unidad de control seleccione una corriente de equilibrado para fluir desde o hacia una celda de almacenamiento de energía.In another aspect, there is provided a system for use in any embodiment of the present invention comprising: a mode selection circuit comprising bidirectional and unidirectional switching devices optionally connected to a single resistor, the switches being adapted and configured one-way switches of the mode selection circuit to allow selection of a management mode selected from a balance mode or a test mode or a charge or discharge mode of operation, further comprising a current balancing circuit having switches bidirectional switches, a balancing current, which may be drawn from or injected into one or more of the rechargeable power cells passing through the current balancing circuit, the bidirectional switches being adapted to allow the control unit to select a current balancing to flow to or from a ce energy storage lda.
En otro aspecto, se proporciona un sistema para usar en cualquiera de las realizaciones de la presente invención que tiene un circuito de selección de modo que comprende un grupo de conmutadores (p. ej., conmutadores bidireccionales y unidireccionales) opcionalmente conectados a un dispositivo óhmico individual, que determina el nivel de la corriente de equilibrado y ejecuta un proceso de función dual para permitir la selección de un modo de gestión. El modo de gestión se puede seleccionar entre un modo de equilibrado o un modo de prueba o un modo de funcionamiento de carga o descarga.In another aspect, a system for use in any of the embodiments of the present invention is provided having a mode selection circuit comprising a group of switches (eg, bidirectional and unidirectional switches) optionally connected to an ohmic device. individual, which determines the level of the balancing current and executes a dual function process to allow selection of a management mode. The management mode can be selected between a balance mode or a test mode or a load or unload mode of operation.
En otro aspecto, se puede usar un proceso de función dual en cualquiera de las realizaciones de la presente invención en el que se utiliza un grupo de celdas para aplicar una corriente de excitación para someter a prueba otro grupo de celdas sin usar ninguna alimentación externa. Un grupo de celdas se puede adaptar para aplicar una corriente de excitación para someter a prueba otro grupo de celdas, por lo que se proporciona un medio para medir una señal de la tensión de respuesta en la corriente de excitación. Después de dividir las celdas de energía conectadas en serie en grupos de celdas con conmutadores bidireccionales, se extrae una corriente de equilibrado o se inyecta en una o más de las celdas de energía recargables mediante el uso de conmutación bidireccional, los conmutadores bidireccionales que están adaptados para seleccionar una corriente de equilibrado para que fluya desde o hacia una celda.In another aspect, a dual function process may be used in any of the embodiments of the present invention in which one group of cells is used to apply a drive current to test another group of cells without using any external power. One group of cells can be adapted to apply a drive current to test another group of cells, whereby a means is provided for measuring a response voltage signal in the drive current. After dividing the series-connected power cells into groups of cells with bidirectional switches, a balancing current is drawn or injected into one or more of the rechargeable power cells by using bidirectional switching, the bidirectional switches that are adapted to select a balance current to flow to or from a cell.
El nivel de la corriente de equilibrado se puede determinar usando un dispositivo óhmico adicional conectado en paralelo con el dispositivo óhmico solo.The balance current level can be determined by using an additional ohmic device connected in parallel with the ohmic device alone.
En otro aspecto que se puede utilizar en cualquiera de las realizaciones de la presente invención, se aplica una corriente de excitación para someter a prueba un grupo de celdas con otro grupo de celdas.In another aspect that can be used in any of the embodiments of the present invention, a drive current is applied to test a group of cells with another group of cells.
Por ejemplo, un modo de equilibrado con alimentación externa puede ser un modo de equilibrado pasivo durante la carga o descarga de los dispositivos de almacenamiento de energía recargables, y el equilibrado de las celdas con alimentación interna puede ser un modo de equilibrado en serie y en paralelo durante un tiempo de reposo. El modo de equilibrado pasivo se puede adaptar para proteger las celdas de almacenamiento de energía recargables contra la sobrecarga o la sobredescarga. El modo en serie y en paralelo se puede adaptar para completar el equilibrado de las celdas de almacenamiento de energía recargables durante un tiempo de reposo o inactividad.For example, an externally powered balancing mode may be a passive balancing mode during charging or discharging of rechargeable energy storage devices, and internally powered cell balancing may be a series and voltage balancing mode. parallel during a rest period. Passive balancing mode can be adapted to protect rechargeable energy storage cells from overcharging or overdischarging. Series and parallel mode can be adapted to complete the balancing of rechargeable energy storage cells during standby or idle time.
Un grupo de celdas puede configurarse para aplicar una corriente de excitación para someter a prueba otro grupo de celdas que además comprende medios para medir una señal de la tensión de respuesta en la corriente de excitación. La señal de la tensión de respuesta se puede convertir de un dominio del tiempo a un dominio de la frecuencia, p. ej., mediante el uso de un conjunto ortogonal de ondas u ondículas, p. ej., mediante el uso de una transformada discreta de Fourier y la impedancia de CA se puede calcular como una función de los niveles de frecuencia. Un SoH de las celdas de almacenamiento de energía recargables se puede calcular mediante el uso de dicha impedancia de CA. El SoH de las celdas de almacenamiento de energía recargables se puede calcular mediante el uso de un modelo genérico de envejecimiento.One group of cells may be configured to apply a drive current to test another group of cells further comprising means for measuring a response voltage signal in the drive current. The response voltage signal can be converted from a time domain to a frequency domain, e.g. by using an orthogonal set of waves or wavelets, e.g. For example, by using a discrete Fourier transform, the AC impedance can be calculated as a function of frequency levels. An SoH of rechargeable energy storage cells can be calculated by using such AC impedance. The SoH of rechargeable energy storage cells can be calculated by using a generic aging model.
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures
La Figura 1 ilustra un sistema de gestión modular según una realización de la presente invención.Figure 1 illustrates a modular management system according to an embodiment of the present invention.
La Figura 2 ilustra una realización de la presente invención para cuatro celdas de batería.Figure 2 illustrates an embodiment of the present invention for four battery cells.
La Figura 3 ilustra un diagrama de flujo del funcionamiento de los dispositivos de gestión de batería de la Figura 1 según una realización de la presente invención. Figure 3 illustrates a flow diagram of the operation of the battery management devices of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 4a a d ilustran cuatro casos de funcionamiento del modo de equilibrado pasivo según una realización de la presente invención durante la carga usando una sola resistencia a) celda de batería B1, b) celda de batería B2, c) celda de batería B3 y c) celda de batería B4.Figures 4a to d illustrate four cases of passive balancing mode operation according to one embodiment of the present invention during charging using a single resistor a) battery cell B1, b) battery cell B2, c) battery cell B3 and c) battery cell B4.
Las Figuras 5a a d ilustran cuatro casos de funcionamiento del modo de equilibrado pasivo según una realización de la presente invención durante la descarga mediante el uso de una sola resistencia: a) celda de batería B1, b) celda de batería B2, c) celda de batería B3 y d) celda de batería B4.Figures 5a to d illustrate four cases of operation of the passive balancing mode according to an embodiment of the present invention during discharge by using a single resistor: a) battery cell B1, b) battery cell B2, c) battery cell battery B3 and d) battery cell B4.
La Figura 6 ilustra resistencias óhmicas en derivación conmutadas (equilibrado pasivo) mediante el uso de múltiples resistencias óhmicas según una realización de la presente invención.Figure 6 illustrates switched shunt ohmic resistors (passive balanced) using multiple ohmic resistors in accordance with one embodiment of the present invention.
Las Figuras 7a y b ilustran las tensiones de celda de una simulación del equilibrado pasivo: a) resistencia óhmica múltiple (R=1,5 Q) y b) resistencia óhmica individual (R1 =1,5 Q) según una realización de la presente invención. Las Figuras 8a y b ilustran el SoC de celda de una simulación del equilibrado pasivo: a) resistencia óhmica múltiple (R=1,5 Q) y b) resistencia óhmica individual (R1 =1,5 Q) según una realización de la presente invención.Figures 7a and b illustrate the cell voltages of a passive balancing simulation: a) multiple ohmic resistance (R=1.5 Q) and b) single ohmic resistance (R1=1.5 Q) according to an embodiment of the present invention. Figures 8a and b illustrate the cell SoC of a passive balancing simulation: a) multiple ohmic resistance (R=1.5 Q) and b) single ohmic resistance (R1=1.5 Q) according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 9a y b ilustran la pérdida de energía de la simulación del equilibrado pasivo: a) resistencia óhmica múltiple (R=1,5 Q) y b) resistencia óhmica individual (R1 =1,5 Q) según una realización de la presente invención.Figures 9a and b illustrate the passive balancing simulation power loss: a) multiple ohmic resistance (R=1.5 Q) and b) single ohmic resistance (R1=1.5 Q) according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 10a y b ilustran los resultados de la simulación de un modo de equilibrado pasivo mediante el uso de una sola resistencia durante la carga: a) tensión y b) SoC según una realización de la presente invención.Figures 10a and b illustrate the results of simulating a passive balancing mode using a single resistor during charging: a) voltage and b) SoC according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 11a y b ilustran los resultados de la simulación de un modo de equilibrado pasivo durante la descarga: a) tensión y b) SoC según una realización de la presente invención.Figures 11a and b illustrate the simulation results of a passive balancing mode during discharge: a) voltage and b) SoC according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 12a a d ilustran cuatro casos de funcionamiento del modo de equilibrado en serie y en paralelo según una realización de la presente invención durante el tiempo de reposo mediante el uso de una sola resistencia: a) transferir energía desde la celda de batería 3 y la celda de batería 4 a la celda de batería 1, b) transferir energía desde la celda de batería 3 y la celda de batería 4 a la celda de batería 2, c) transferir energía desde la celda de batería 1 y la celda de batería 2 a la celda de batería 3, y d) transferir energía desde la celda de batería 1 y la celda de batería 2 a la celda de batería 4.Figures 12a to d illustrate four cases of operation of the series and parallel balancing mode according to an embodiment of the present invention during sleep time by using a single resistor: a) transfer power from the battery cell 3 and the battery cell 4 to battery cell 1, b) transfer power from battery cell 3 and battery cell 4 to battery cell 2, c) transfer power from battery cell 1 and battery cell 2 to battery cell 3, and d) transfer power from battery cell 1 and battery cell 2 to battery cell 4.
La Figura 13 ilustra una realización de la presente invención para cuatro celdas de batería integradas con un cargador de CC separado.Figure 13 illustrates an embodiment of the present invention for four integrated battery cells with a separate DC charger.
Las Figuras 14a y b ilustran la tensión de celda de una simulación de equilibrado: a) modo en serie y en paralelo (R1=1,5 Q), y b) modo de equilibrado pasivo mediante el uso de una resistencia óhmica individual (R1=1,5 Q) según una realización de la presente invención.Figures 14a and b illustrate the cell voltage of a balancing simulation: a) series and parallel mode (R1=1.5 Q), and b) passive balancing mode using a single ohmic resistor (R1=1 .5 Q) according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 15a y b ilustran el SoC de celdas de una simulación de equilibrado: a) modo en serie y en paralelo (R1=1,5 Q), y b) modo de equilibrado pasivo mediante el uso de una resistencia óhmica individual (R1 =1,5 Q) según una realización de la presente invención.Figures 15a and b illustrate the cell SoC of a balancing simulation: a) series and parallel mode (R1=1.5 Q), and b) passive balancing mode using a single ohmic resistor (R1=1.5 Q). .5 Q) according to an embodiment of the present invention.
Las Figuras 16a y b ilustran la pérdida de energía de una simulación de equilibrado: a) modo en serie y en paralelo (R1 =1,5 Q), y b) modo de equilibrado pasivo mediante el uso de una resistencia óhmica individual (R1 =1,5 Q) según una realización de la presente invención. La Figura 17 ilustra la estrategia de control basada en la técnica PWM (donde n es el número de celdas RES tales como celdas de batería conectadas en serie) según una realización de la presente invención.Figures 16a and b illustrate the power loss of a balancing simulation: a) series and parallel mode (R1 =1.5 Q), and b) passive balancing mode using a single ohmic resistor (R1 =1 .5 Q) according to an embodiment of the present invention. Figure 17 illustrates the control strategy based on the PWM technique (where n is the number of RES cells such as battery cells connected in series) according to an embodiment of the present invention.
La Figura 18 ilustra una señal de pulsos basada en la técnica PWM según una realización de la presente invención. La Figura 19 ilustra un diagrama de flujo de la metodología propuesta para estimar el SoH y/o el SoC según una realización de la presente invención.Figure 18 illustrates a pulse signal based on the PWM technique according to an embodiment of the present invention. Figure 19 illustrates a flowchart of the proposed methodology for estimating SoH and/or SoC according to one embodiment of the present invention.
Las Figuras 20 a y b ilustran los resultados de la simulación del modo de prueba de la impedancia de CA: a) corriente de excitación y b) tensión de respuesta según una realización de la presente invención.Figures 20 a and b illustrate AC impedance test mode simulation results: a) drive current and b) response voltage according to one embodiment of the present invention.
La Figura 21 ilustra la impedancia de CA de las baterías en función del nivel de frecuencia tal como se utiliza en una realización de la presente invención.Figure 21 illustrates the AC impedance of batteries as a function of frequency level as used in one embodiment of the present invention.
La Figura 22 ilustra el modelo genérico de envejecimiento para la estimación del SoH basado en pruebas experimentales de diferentes tipos de baterías de iones de litio como se usan en una realización de la presente invención.Figure 22 illustrates the generic aging model for SoH estimation based on experimental tests of different types of lithium-ion batteries as used in one embodiment of the present invention.
La Figura 23 muestra la relación entre el SoH y la impedancia de resonancia de las baterías LFP (fosfato de hierro y litio) y NMC (óxido de cobalto y manganeso de litio y níquel) probadas con diferentes tamaños.Figure 23 shows the relationship between SoH and resonance impedance for LFP (Lithium Iron Phosphate) and NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) batteries tested with different sizes.
La Figura 24 muestra valores reales del SoH frente al SoH previsto usando una realización de la presente invención. Figure 24 shows actual SoH values versus predicted SoH using one embodiment of the present invention.
DefinicionesDefinitions
Un "dispositivo de conmutación bidireccional" se refiere a uno o más conmutadores y dispositivos de diodo, que permiten que la corriente fluya de forma selectiva en una de dos direcciones a través del dispositivo de conmutación. Los conmutadores pueden ser componentes discretos como relés de láminas en paralelo con un diodo. De forma alternativa, los conmutadores pueden ser transistores. Los diodos pueden ser componentes discretos o pueden ser, por ejemplo, un transistor conectado a un diodo.A "bidirectional switching device" refers to one or more switches and diode devices, which selectively allow current to flow in one of two directions through the switching device. The switches can be discrete components such as reed relays in parallel with a diode. Alternatively, the switches may be transistors. The diodes can be discrete components or can be, for example, a transistor connected to a diode.
Un "dispositivo de conmutación unidireccional" se refiere a uno o más conmutadores y, opcionalmente, dispositivos de diodo, que permiten que la corriente fluya de forma selectiva en una sola dirección a través del dispositivo de conmutación. El conmutador o conmutadores pueden ser componentes discretos, como un relé de láminas en serie con un diodo. El diodo puede ser un componente discreto o puede ser un transistor conectado a un diodo, por ejemplo. De forma alternativa, los conmutadores pueden ser transistores individuales configurados para permitir la corriente en una sola dirección.A "unidirectional switching device" refers to one or more switches, and optionally diode devices, that selectively allow current to flow in only one direction through the switching device. The switch or switches can be discrete components, such as a reed relay in series with a diode. The diode can be a discrete component or it can be a transistor connected to a diode, for example. Alternatively, the switches may be individual transistors configured to allow current in only one direction.
Un "dispositivo óhmico" es un dispositivo electrónico que se comporta como, o es, una resistencia, o son dos o más resistencias, p. ej., en un circuito de resistencia, que sigue la ley de Ohm. Por lo tanto, la corriente que fluye a través de un dispositivo óhmico varía proporcionalmente a la tensión a través del dispositivo.An "ohmic device" is an electronic device that behaves like, or is, one resistor, or is two or more resistors, e.g. eg, in a resistance circuit, which follows Ohm's law. Therefore, the current flowing through an ohmic device varies proportionally to the voltage across the device.
Un "proceso de función dual" (DFP) significa dividir un paquete de energía recargable, como un paquete de baterías, en dos o más módulos independientes gracias a la disposición de los conmutadores dedicados (p. ej., conmutadores bidireccionales y unidireccionales conectados opcionalmente a un dispositivo óhmico individual, tal como una resistencia).A "dual function process" (DFP) means dividing a rechargeable power pack, such as a battery pack, into two or more independent modules through the arrangement of dedicated switches (e.g. bidirectional and unidirectional switches optionally connected to a single ohmic device, such as a resistor).
Un "diagnóstico de salud de celda de almacenamiento de energía recargable de impedancia de CA" es un procedimiento y/o técnica de estimación que permite a un sistema de gestión RESS estimar un parámetro de diagnóstico (es decir, ser un, o estar relacionado con un, o derivado de un, o una función de un SoH) de una celda o paquete de celdas. El SoH de las celdas de almacenamiento de energía recargables se puede estimar a partir de los resultados de aplicar un modo de prueba de impedancia de CA. Se pueden usar pruebas de diagnóstico adicionales o alternativas con la presente invención y son, por ejemplo, pruebas de diagnóstico de corriente, de tensión y de resistencia o impedancia, p. ej., como se indica en los documentos US 4.719.427 y US 4.361.809.An "AC Impedance Rechargeable Energy Storage Cell Health Diagnostic" is an estimation procedure and/or technique that enables an RESS management system to estimate a diagnostic parameter (i.e., being a, or related to a, or derivative of, or a function of a SoH) of a cell or cell pack. The SoH of rechargeable energy storage cells can be estimated from the results of applying an AC impedance test mode. Additional or alternative diagnostic tests may be used with the present invention and are, for example, current, voltage, and resistance or impedance diagnostic tests, e.g. eg, as indicated in US 4,719,427 and US 4,361,809.
Descripción detallada de las realizaciones ilustrativasDetailed Description of Illustrative Embodiments
La presente invención se refiere a un sistema de gestión modular para celdas de almacenamiento de energía recargables o paquetes de celdas con una nueva configuración y escenarios avanzados para proporcionar una disposición inteligente. La misma configuración admitida por el sistema de gestión está diseñada para supervisar, proteger, equilibrar, cargar, someter a prueba y controlar un RESS que está conectado en serie.The present invention relates to a modular management system for rechargeable energy storage cells or cell packs with a new configuration and advanced settings to provide an intelligent layout. The same configuration supported by the management system is designed to monitor, protect, balance, charge, test, and control a RESS that is connected in series.
La Figura 1 y la Figura 2 ilustran un circuito de gestión según una realización de la presente invención. Este sistema tiene dos grupos de dispositivos de conmutación o conmutadores: un circuito de equilibrado de la corriente (1) que comprende los dispositivos de conmutación bidireccionales, que comprenden los conmutadores bidireccionales S1, S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S11, S12; S13, S14; S15, S16; s 17, S18. Se proporciona un circuito (3) de selección de modo que comprende los dispositivos de conmutación unidireccionales o conmutadores S19...S23 y un circuito (2) de división de celdas que comprende los dispositivos de conmutación bidireccionales o conmutadores S9, S10. Una corriente de equilibrado, que puede extraerse o inyectarse en una cualquiera o más de las celdas de energía recargables B1 a B4, pasa a través del circuito de equilibrado de la corriente (1), p. ej., compuesto por dispositivos de conmutación bidireccionales. Los dispositivos de conmutación bidireccionales del circuito de equilibrado de la corriente (1) pueden comprender, o pueden consistir en, dos conmutadores (es decir, S1 y S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S11, S12; S13, S14; S15, S16; S17, S18) cada conmutador está acoplado en serie con un primer dispositivo de diodo y cada conmutador está acoplado en paralelo a un segundo dispositivo de diodo, como se muestra en la Figura 2, mediante el cual un diodo D1, por ejemplo, está conectado a la inversa en comparación con el otro diodo D2. Estos dispositivos de conmutación o conmutadores bidireccionales (1) permiten que una unidad (9) de control seleccione una corriente de equilibrado para que fluya desde o hacia una celda.Figure 1 and Figure 2 illustrate a management circuit according to an embodiment of the present invention. This system has two groups of switching devices or switches: a current balancing circuit (1) comprising bidirectional switching devices, comprising bidirectional switches S1, S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S11, S12; S13, S14; S15, S16; S17, S18. A mode selection circuit (3) is provided comprising the unidirectional switching devices or switches S19...S23 and a cell division circuit (2) comprising the bidirectional switching devices or switches S9, S10. A balance current, which can be drawn or injected into any one or more of the rechargeable power cells B1 to B4, passes through the current balance circuit (1), e.g. g., consisting of bidirectional switching devices. The bidirectional switching devices of the current balancing circuit (1) may comprise, or may consist of, two switches (i.e. S1 and S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S11, S12; S13). , S14; S15, S16; S17, S18) each switch is coupled in series with a first diode device and each switch is coupled in parallel with a second diode device, as shown in Figure 2, whereby a diode D1 for example is connected in reverse compared to the other diode D2. These switching devices or bidirectional switches (1) allow a control unit (9) to select a balancing current to flow to or from a cell.
El circuito (3) de selección de modo comprende dispositivos de conmutación unidireccionales o los conmutadores S19...S23, que incluyen conmutadores individuales como los transistores S19, S20, S21, S22, S23 y S24 (véase la Figura 2), están adaptados y configurados para permitir la selección de un modo de gestión tal como un modo de equilibrado o un modo de prueba o un modo de funcionamiento de carga o descarga. Un proceso de prueba como un DFP, por ejemplo, puede ejecutarse mediante un circuito de división (2) configurado para dividir el paquete de celdas de energía recargables, tal como un paquete de baterías, en dos o más módulos independientes. El circuito de división (2) puede incluir una conexión en serie de dispositivos de conmutación bidireccionales o los conmutadores S9, S10 que pueden dividir el paquete de celdas B1 a B4, en un módulo superior B1+ B2 y un módulo inferior B3 B4 o para un número cualquiera de celdas. Cada módulo dividido es una fuente de alimentación en sí misma y cada uno de dichos módulos se puede utilizar como un medio para equilibrar y/o someter a prueba otro módulo de este tipo en una realización de proceso de diagnóstico o equilibrado de RESS con alimentación interna. Esto puede evitar la necesidad de una fuente de alimentación externa para los procesos de equilibrado o prueba, aunque la disposición de una fuente de alimentación externa no está excluida del alcance de la presente invención, aunque es menos preferible. Como se muestra en la Figura 2, los conmutadores S9 y S10 conectados en serie, con los diodos D9 y D10 conectados a la inversa conectados respectivamente en paralelo a los conmutadores S9 y S10 representan el dispositivo de conmutación bidireccional en serie para dividir en módulos. Dado que la corriente requerida para equilibrar y someter a prueba las celdas de la batería es relativamente baja (es decir, menos de 5 A), no hay necesidad de aumentar la redundancia en paralelo de los conmutadores o dispositivos de conmutación unidireccionales y/o bidireccionales que se utilizan en la presente invención, lo cual representa la inviabilidad económica. Sin embargo, la corriente de carga/descarga pasa a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores (S9, S10), que, por lo tanto, necesitan pasar corrientes relativamente altas (es decir, > 50 A), dependiendo del tamaño de sistema de baterías, la capacidad y la demanda de carga. Por lo tanto, en la práctica, una conexión en serie de conmutadores o dispositivos de conmutación bidireccionales (S9 y S10) se puede ampliar con más conmutadores o dispositivos de conmutación conectados en paralelo (como se muestra en el recuadro de la Figura 2) para compartir la corriente de la batería durante la descarga y los modos de carga, y para reducir el coste y el tamaño de estos dispositivos de conmutación o conmutadores. Un dispositivo (5) óhmico individual tal como una resistencia R1 se puede utilizar para equilibrar y/o someter a prueba. Uno o más dispositivos (6) óhmicos adicionales pero opcionales, como la resistencia R2, pueden añadirse en paralelo a la resistencia R1 para aumentar la corriente de equilibrado y disminuir el tiempo de equilibrado. Cada dispositivo óhmico adicional de este tipo está preferiblemente controlado por un dispositivo de conmutación o conmutador adicional.The mode selection circuit (3) comprises unidirectional switching devices or switches S19...S23, which include individual switches such as transistors S19, S20, S21, S22, S23 and S24 (see Figure 2), are adapted and configured to allow selection of a management mode such as a balance mode or a test mode or a load or unload mode of operation. A test process such as a DFP, for example, may be performed by a split circuit (2) configured to split the rechargeable power cell pack, such as a battery pack, into two or more separate modules. The division circuit (2) can include a series connection of bidirectional switching devices or the switches S9, S10 which can divide the cell pack B1 to B4, into an upper module B1+ B2 and a lower module B3 B4 or for a any number of cells. Each split module is a power supply in itself and each such module may be used as a means to balance and/or test another such module in an internally powered RESS balancing or diagnostic process embodiment . This can avoid the need for an external power supply for balancing or testing processes, although the provision of an external power supply external power supply is not excluded from the scope of the present invention, although it is less preferred. As shown in Figure 2, the series-connected switches S9 and S10, with the reverse-connected diodes D9 and D10 respectively connected in parallel to the switches S9 and S10 represent the serial bidirectional switching device for modulizing. Since the current required to balance and test the battery cells is relatively low (i.e., less than 5 A), there is no need to increase the parallel redundancy of unidirectional and/or bidirectional switches or switching devices. used in the present invention, which represents economic infeasibility. However, the charge/discharge current passes through the switching devices or switches (S9, S10), which therefore need to pass relatively high currents (i.e. > 50 A), depending on the size of the system. of batteries, capacity and load demand. Therefore, in practice, a series connection of bidirectional switches or switching devices (S9 and S10) can be extended with more switches or switching devices connected in parallel (as shown in the inset of Figure 2) to share battery current during discharge and charge modes, and to reduce the cost and size of these switching devices or switches. A single ohmic device (5) such as a resistor R1 can be used for balancing and/or testing. One or more additional but optional ohmic devices (6), such as resistor R2, may be added in parallel to resistor R1 to increase balancing current and decrease balancing time. Each such additional ohmic device is preferably controlled by an additional switching device or switch.
La tensión de cada celda de energía recargable B1 a B4 se supervisa individualmente mediante un medio (4) de detección de tensión. El medio (4) de detección de tensión se puede proporcionar mediante una matriz (4) de sensores de tensión, mediante la cual uno de estos sensores puede adaptarse para medir la tensión de una celda B1 a B4. De forma alternativa, un sensor puede cambiarse a una celda que se va a medir (no se muestra). El medio (4) de detección de tensión, tal como la matriz de sensores de tensión, puede comunicarse con una unidad (9) de control central y, por lo tanto, tener un medio para comunicar los resultados de la medición de tensión a la unidad (9) de control central. La unidad (9) de control central tiene un medio para recibir los resultados de las mediciones de tensión (p. ej., puerto de E/S, o interfaz de red o bus) y también tiene medios para almacenar estos valores (es decir, memoria) y para procesar estos valores (es decir, motor de procesamiento).The voltage of each rechargeable power cell B1 to B4 is individually monitored by a voltage detecting means (4). The voltage sensing means (4) may be provided by an array (4) of voltage sensors, whereby one of these sensors can be adapted to measure the voltage of a cell B1 to B4. Alternatively, a sensor can be switched to a cell to be measured (not shown). The voltage sensing means (4), such as the voltage sensor array, may communicate with a central control unit (9) and thus have a means to communicate the results of the voltage measurement to the host. central control unit (9). The central control unit (9) has a means to receive the results of the voltage measurements (e.g. I/O port, or network or bus interface) and also has a means to store these values (i.e. , memory) and to process these values (i.e. rendering engine).
La temperatura del paquete de baterías se supervisa con un medio de medición de la temperatura tal como un indicador (12) de temperatura. La temperatura del paquete también se comunica a la unidad (9) de control central y, por lo tanto, el medio de medición de la temperatura tiene medios para comunicar los resultados de la medición de la temperatura a la unidad (9) de control central. Por lo tanto, la unidad (9) de control central tiene medios para recibir los resultados de las mediciones de temperatura (p. ej., puerto de E/S, o interfaz de red o bus) y también tiene medios para almacenar (es decir, memoria) estos valores y para procesar estos valores (es decir, un motor de procesamiento). The temperature of the battery pack is monitored with a temperature measurement means such as a temperature gauge (12). The temperature of the package is also communicated to the central control unit (9) and therefore the temperature measurement means has means for communicating the results of the temperature measurement to the central control unit (9). . Therefore, the central control unit (9) has means to receive the results of temperature measurements (e.g. I/O port, or network or bus interface) and also has means to store (i.e. i.e. memory) these values and to process these values (i.e. a processing engine).
La corriente del paquete de celdas de energía recargables, tal como un paquete de baterías, se supervisa con un dispositivo (7) de supervisión de la corriente y los valores de corriente que son los resultados de las mediciones de corriente se comunican a la unidad (9) de control central. Por lo tanto, el dispositivo (7) de supervisión de la corriente tiene medios para comunicar los resultados de la medición de corriente a la unidad (9) de control central. La unidad (9) de control central tiene un medio para recibir los resultados de las mediciones de corriente (p. ej., puerto de E/S, o interfaz de red o bus) y también tiene medios para almacenar estos valores (es decir, memoria) y para procesar estos valores. (es decir, un motor de procesamiento).The current of the rechargeable power cell pack, such as a battery pack, is monitored with a current monitoring device (7) and the current values that are the results of the current measurements are communicated to the unit ( 9) central control. Therefore, the current monitoring device (7) has means for communicating the results of the current measurement to the central control unit (9). The central control unit (9) has a means to receive the results of the current measurements (e.g. I/O port, or network or bus interface) and also has a means to store these values (i.e. , memory) and to process these values. (i.e. a processing engine).
La tensión del paquete de almacenamiento de energía preferiblemente también se supervisa y los valores, que son los resultados de las mediciones de tensión del paquete, se comunican a la unidad (9) de control central. Se proporcionan medios para medir la tensión del paquete y para comunicar los resultados de la medición de tensión del paquete a la unidad (9) de control central. Por lo tanto, la unidad (9) de control central tiene un medio para recibir los resultados de las mediciones de tensión del paquete (p. ej., puerto de E/S o interfaz de red o bus) y también tiene medios para almacenar estos valores (es decir, memoria) y para procesar estos valores (es decir, un motor de procesamiento).The voltage of the energy storage pack is preferably also monitored and the values, which are the results of the pack voltage measurements, are communicated to the central control unit (9). Means are provided for measuring the pack tension and for communicating the results of the pack tension measurement to the central control unit (9). Therefore, the central control unit (9) has a means to receive the results of the packet voltage measurements (e.g., I/O port or network or bus interface) and also has a means to store these values (ie memory) and to process these values (ie a processing engine).
El rendimiento de las celdas de almacenamiento de energía recargables, tal como las baterías, puede basarse en uno, algunos o todos los valores medidos mencionados anteriormente y acumularse durante el funcionamiento de los modos de equilibrado y/o de prueba. El rendimiento se puede visualizar en una pantalla de usuario, tal como un dispositivo (11) LCD, o se puede comunicar al exterior (el mundo exterior) a través de una interfaz, tal como un puerto de E/S, una interfaz de red o un bus, tal como un bus CAN, o una conexión en serie tal como un puerto USB. El paquete de celdas de almacenamiento de energía recargables, tal como un paquete de baterías, tiene preferiblemente medios para la desconexión, p. ej., a través de un relé (8) de protección bajo el control de la unidad (9) de control central en caso de fallo o para llevar a cabo una prueba diagnóstica autoalimentada a bordo.The performance of rechargeable energy storage cells, such as batteries, may be based on one, some or all of the above measured values and accumulated during operation of the balance and/or test modes. The performance can be displayed on a user screen, such as an LCD device (11), or can be communicated to the outside (the outside world) through an interface, such as an I/O port, a network interface or a bus, such as a CAN bus, or a serial connection such as a USB port. The rechargeable energy storage cell pack, such as a battery pack, preferably has means for disconnection, e.g. via a protection relay (8) under the control of the central control unit (9) in case of failure or to carry out a self-powered diagnostic test on board.
La Figura 3 ilustra un diagrama de flujo operativo de una realización de la presente invención. Para asegurar la exactitud de los datos, es preferible que todos los datos, tal como la tensión del paquete, el flujo de corriente, la tensión de la celda y la temperatura de la celda, estén calibrados inicialmente y, preferiblemente, de forma automática. En primer lugar, cada tensión de celda, tensión de paquete, corriente de paquete y temperatura se miden con frecuencia por los sensores (4), (7), (12) pertinentes, etc., y se transmiten a la unidad (9) de controlador. A continuación, un algoritmo de control según realizaciones de la presente invención que se ejecuta en la unidad (9) de control procesa estos datos mediante el uso de un motor de procesamiento para decidir e implementar la función o funciones del sistema de gestión de paquetes que deben realizarse. La unidad (9) de control tiene un motor de procesamiento digital tal como un microprocesador o un FPGA, así como memoria. La unidad (9) de control se puede configurar como un dispositivo autónomo, p. ej., se puede configurar como un microcontrolador o se puede configurar como una unidad de control incorporada o integrada. La unidad (9) de control tiene suficiente potencia de procesamiento y memoria para implementar los sistemas de gestión y ejecutar los procedimientos según las realizaciones de la presente invención.Figure 3 illustrates an operational flow chart of one embodiment of the present invention. To ensure data accuracy, it is preferable that all data, such as pack voltage, current flow, cell voltage, and cell temperature, be calibrated initially and preferably automatically. First, each cell voltage, pack voltage, pack current, and temperature are frequently measured by the relevant sensors (4), (7), (12), etc., and transmitted to the unit (9). of controller. Next, a control algorithm according to embodiments of the present invention that is executed in the control unit (9) processes this data by using a processing engine to decide and implement the package management system function(s) to be performed. The control unit (9) has a digital processing engine such as a microprocessor or an FPGA, as well as memory. The control unit (9) can be configured as a stand-alone device, e.g. eg, it can be configured as a microcontroller or it can be configured as an embedded or embedded control unit. The control unit (9) has sufficient processing power and memory to implement the management systems and execute the procedures according to the embodiments of the present invention.
El flujo 100 de procedimiento de la Figura 3 comienza con la etapa 102. Al inicio y antes de que se inicie la función o funciones del sistema de gestión que se deben realizar, es preferible que se lleven a cabo determinadas comprobaciones de seguridad. Una de estas funciones de seguridad, preferiblemente realizada por la unidad (9) de control, es comprobar la tensión del paquete Vp para asegurar que el paquete de celdas RESS sea seguro para su uso. Por ejemplo, la tensión del paquete de celdas RESS Vp, la corriente de carga IL suministrada por el paquete de celdas RESS y la temperatura del paquete de celdas RESS Tb se miden en la etapa 104 usando los sensores (4), (7), (12) pertinentes, etc., y se pueden comunicar a la unidad 9 de control y los valores se guardan en una memoria intermedia o se almacenan allí. En la etapa 106, la tensión medida del paquete Vp se compara con un valor máximo Vmáx por el controlador (9) y, opcionalmente, se compara con un valor mínimo Vmín. La unidad (9) de control puede llevar a cabo una de estas comparaciones o ambas comparaciones. Si la tensión medida del paquete Vp sobrepasa el valor máximo Vmáx el paquete de celdas RESS se desconecta (p. ej., mediante la unidad (9) de control que envía una señal de desconexión al relé (8) de protección), en la etapa 108 para permitir la reparación o investigación. Si un paquete está totalmente descargado, la tensión del paquete Vp puede estar cerca de cero, por lo que un valor bajo no es necesariamente un fallo. Sin embargo, si la tensión del paquete Vp es inferior a un valor umbral mínimo Vmín el flujo también puede salir opcionalmente en la etapa 108. Si la etapa 106 es SÍ, el sensor (7) de corriente y más preferentemente si la unidad (9) de control, puede comprobar si el paquete de celdas RESS está en operación (109) de carga o descarga o reposa en modo (110) inactivo. Por ejemplo, en la etapa 111 la unidad (9) de control puede comprobar si la corriente de carga es cero, indicando un estado (110) inactivo. Si la etapa 111 es NO, la unidad (9) de control puede comprobar, en la etapa 112, si la corriente de carga es mayor que cero indicando un estado (109) de carga (o estado de descarga, dependiendo de cómo esté dispuesto el circuito). Si la etapa 112 es NO, la unidad (9) de control comprueba en la etapa 113 si la corriente de carga es inferior a cero indicando un estado de descarga (o carga). Durante la operación (109) de carga/descarga, los sensores de tensión (4) comunican de forma continua los datos de tensión a la unidad (9) de control central para determinar si hay alguna celda con bajo rendimiento. Si la respuesta es SÍ en las etapas 112 y 113, se puede determinar una celda de bajo rendimiento, por ejemplo, comparando una tensión de celda mínimo con un valor de tensión de celda máxima de algunas o todas las celdas en el paquete de almacenamiento de energía recargable, tal como un paquete de baterías. Por ejemplo, una vez que esta diferencia de tensión sobrepasa un valor umbral como en la etapa 114, p. ej., sobrepasa los 80 mV, la unidad (9) de control inicia el modo de equilibrado pasivo, p. ej., en la etapa 115. El modo de equilibrado pasivo se puede implementar para el equilibrado al menos parcial de las celdas en el paquete de almacenamiento de energía recargable, tal como un paquete de baterías, mediante el uso de un dispositivo óhmico individual, tal como una resistencia. Al mismo tiempo, la pérdida de calor del paquete de celdas RESS se supervisa preferiblemente para controlar el sistema de enfriamiento con el fin de mantener la temperatura del circuito de equilibrado y/o el paquete de celdas RESS por debajo de una temperatura máxima, p. ej., alrededor de 35 °C. Por ejemplo, en la etapa 117, la unidad (9) de control comprueba si la temperatura del paquete Tb es inferior a una temperatura máxima tal como 35 °C. Si la respuesta es SÍ en la etapa 117, el modo de equilibrado pasivo continúa hasta que la diferencia de tensión determinada en la etapa 115 esté por debajo de un valor umbral tal como 80 mV, momento en el cual el control se reinicia en la etapa 104. Si en la etapa 117 es que NO, la unidad (9) de control inicia un sistema de enfriamiento en la etapa 119 y el flujo vuelve a la etapa 114.The procedure flow 100 of Figure 3 begins with step 102. At the beginning and before the management system function(s) to be performed are initiated, it is preferable that certain security checks be performed. One of these safety functions, preferably performed by the control unit (9), is to check the pack voltage V p to ensure that the RESS cell pack is safe for use. For example, the RESS cell pack voltage V p , the charging current IL supplied by the RESS cell pack and the RESS cell pack temperature T b are measured at step 104 using the sensors 4, 7 ), (12) relevant, etc., and can be communicated to the control unit 9 and the values are buffered or stored there. In step 106, the measured packet voltage V p is compared to a maximum value V max by the controller (9) and optionally compared to a minimum value V min . The control unit (9) can carry out one of these comparisons or both comparisons. If the measured pack voltage V p exceeds the maximum value V max the RESS cell pack is disconnected (eg by the control unit (9) sending a disconnection signal to the protection relay (8), at step 108 to enable repair or investigation. If a pack is fully discharged, the pack voltage V p can be close to zero, so a low value is not necessarily a fault. However, if the packet voltage V p is less than a minimum threshold value V min the flow can also optionally exit in step 108. If step 106 is YES, the current sensor (7) and more preferably if the unit (9) control, you can check if the RESS cell pack is in charge or discharge operation (109) or rests in idle mode (110). For example, in step 111 the control unit (9) can check if the load current is zero, indicating an inactive state (110). If step 111 is NO, the control unit (9) can check, in step 112, if the charging current is greater than zero indicating a state (109) of charge (or state of discharge, depending on how it is arranged). The circuit). If step 112 is NO, the control unit (9) checks in step 113 if the charging current is less than zero indicating a state of discharge (or charge). During the charge/discharge operation (109), the voltage sensors (4) continuously communicate the voltage data to the central control unit (9) to determine if there are any cells with poor performance. If the answer is YES at steps 112 and 113, a poorly performing cell can be determined, for example, by comparing a minimum cell voltage to a maximum cell voltage value of some or all of the cells in the storage pack. rechargeable power, such as a battery pack. For example, once this voltage difference exceeds a threshold value as in step 114, e.g. exceeds 80 mV, the control unit (9) starts the passive balancing mode, e.g. at step 115. The passive balancing mode can be implemented for at least partial balancing of the cells in the rechargeable energy storage package, such as a battery pack, by using a single ohmic device, such as a resistor. At the same time, the heat loss from the RESS cell pack is preferably monitored to control the cooling system in order to maintain the temperature of the balance circuit and/or the RESS cell pack below a maximum temperature, e.g. e.g. around 35 °C. For example, at step 117, the control unit 9 checks whether the package temperature T b is less than a maximum temperature such as 35°C. If the answer is YES at step 117, the passive balance mode continues until the voltage difference determined at step 115 is below a threshold value such as 80 mV, at which time control restarts at step 104. If in step 117 it is NO, the control unit (9) starts a cooling system in step 119 and the flow returns to step 114.
Se pueden realizar diversas etapas adicionales (no se muestran en la Figura 3), tal como entrar en la etapa 108 (p. ej., bajo el control de la unidad (9) de control) si hay una indicación de que el sistema de enfriamiento no controla la temperatura del paquete de celdas y/o el circuito de equilibrado correctamente. Por ejemplo, si en varios períodos de tiempo consecutivos la etapa 117 es NO, puede indicar que el paquete está fuera de control y se puede entrar en la etapa 108 (p. ej., bajo el control de la unidad (9) de control). De forma alternativa, la etapa 117 puede incluir que la unidad (9) de control compruebe si la temperatura del paquete y/o del circuito de equilibrado Tb es inferior a una primera temperatura máxima del circuito de equilibrado, tal como 35 °C, y no sobrepasa una segunda temperatura máxima del paquete, tal como 55 °C o 80 °C. En caso de que sobrepase la segunda temperatura máxima del paquete, se entra en la etapa 108 (p. ej., bajo el control de la unidad (9) de control). Además, las etapas 112 y 113 pueden incluir que la unidad (9) de control realice la etapa adicional de comprobar si la corriente de carga es mayor que un valor absoluto máximo. Sobrepasar dicho valor podría indicar un cortocircuito y, por lo tanto, el controlador (9) entra en la etapa 108.Various additional steps (not shown in Figure 3) may be performed, such as entering step 108 (eg, under the control of control unit (9)) if there is an indication that the cooling is not controlling the temperature of the cell pack and/or balance circuit properly. For example, if in several consecutive time periods step 117 is NO, it may indicate that the packet is out of control and step 108 can be entered (eg, under the control of control unit (9)). ). Alternatively, step 117 may include the control unit (9) checking whether the package and/or balancing circuit temperature Tb is less than a first maximum balancing circuit temperature, such as 35°C, and does not exceed a second maximum package temperature, such as 55°C or 80°C. In case the second maximum package temperature is exceeded, step 108 is entered (eg, under the control of the control unit (9)). Furthermore, steps 112 and 113 may include the control unit 9 performing the further step of checking whether the charging current is greater than a maximum absolute value. Exceeding said value could indicate a short circuit and therefore the controller (9) enters step 108.
Si la respuesta es SÍ en la etapa 111, se supone que el paquete de celdas RESS está inactivo (110) y el flujo pasa a la etapa 120 donde la unidad (9) de control comprueba si existe una diferencia entre la tensión de celda máxima y la tensión de celda mínima de las celdas del paquete de celdas RESS es inferior a determinado valor, p. ej., inferior a 6 mV. En caso de funcionamiento (110) inactivo, se pueden seleccionar preferentemente uno o más modos, p. ej., en función del orden de funcionamiento. Por ejemplo, si la etapa 120 es NO, la unidad (9) de control inicia un modo de equilibrado en serie y en paralelo en la etapa 121 y en una etapa de tiempo posterior, el flujo vuelve a la etapa 120. Si el modo de equilibrado en serie y en paralelo funciona correctamente, equilibrará completamente las celdas y la comprobación en la etapa 120 revelará que la diferencia de tensión medida en esa etapa es inferior a un valor umbral, p. ej., inferior a 6 mV. Pueden llevarse a cabo diversas etapas adicionales (no se muestran en la Figura 3), como entrar en la etapa 108; por ejemplo, si el modo de equilibrado en serie y en paralelo no logra reducir la diferencia de tensión en la etapa 120 después de un largo período de tiempo.If the answer is YES in step 111, it is assumed that the RESS cell pack is idle (110) and the flow goes to step 120 where the control unit (9) checks if there is a difference between the maximum cell voltage and the minimum cell voltage of the cells of the RESS cell pack is less than a certain value, eg. g., less than 6 mV. In case of idle operation (110), one or more modes can be preferably selected, e.g. depending on the order of operation. For example, if step 120 is NO, the control unit (9) initiates a series and parallel balancing mode at step 121 and at a later time step, the flow returns to step 120. If the series and parallel balancing mode works correctly, it will fully balance the cells and the check at step 120 will reveal that the voltage difference measured at that step is less than a threshold value, eg. g., less than 6 mV. Various additional steps may be performed (not shown in Figure 3), such as entering step 108; for example, if the series and parallel balancing mode fails to reduce the voltage difference in step 120 after a long period of time.
Si la etapa 120 es SÍ, se puede iniciar un modo de prueba en la etapa 122. Antes de la etapa 122, el RESS se puede desconectar de cualquier carga mediante el uso del relé (8) de protección, por ejemplo, bajo el control de la unidad (9) de control. En la etapa 122 se puede realizar una prueba de diagnóstico a bordo, p. ej., alimentada por varias celdas en una parte del RESS. Por ejemplo, la prueba de diagnóstico puede ser la determinación de una estimación de un SoH de las celdas RESS tales como celdas de batería. A partir de etapas adicionales, tales como las etapas 122 a 124, se puede determinar el final de la vida útil de las celdas del paquete RESS, p. ej., mediante la identificación de celdas débiles, que, por ejemplo, indican un SoH deficiente basándose en una prueba de diagnóstico de impedancia de CA, p. ej., tienen alta impedancia de CA (es decir, superior a 15 mü) en la etapa 123 o celdas defectuosas tales como las celdas en circuito abierto o celdas en cortocircuito detectadas en la etapa 124. Los resultados de las etapas 122 o 124 pueden visualizarse en la pantalla (11) o comunicarse a un usuario de cualquier otra forma adecuada, p. ej., a través de un puerto de E/S o a través de un bus tal como un bus CAN. Puede sustituirse cualquier celda defectuosa puede sustituirse o puede sustituirse el paquete completo.If step 120 is YES, a test mode can be started at step 122. Prior to step 122, the RESS can be disconnected from any load by use of the protection relay (8), for example under the control of the control unit (9). At step 122, an on-board diagnostic test, e.g. e.g. fed by several cells in one part of the RESS. For example, the diagnostic test may be the determination of an estimate of an SoH of RESS cells such as battery cells. From additional steps, such as steps 122 to 124, the end of life of the cells in the RESS packet can be determined, e.g. by identifying weak cells, which, for example, indicate poor SoH based on an AC impedance diagnostic test, e.g. have high AC impedance (i.e., greater than 15 mü) at step 123 or defective cells such as open circuited cells or shorted cells detected at step 124. The results of steps 122 or 124 may displayed on the screen (11) or communicated to a user in any other suitable way, e.g. eg, through an I/O port or through a bus such as a CAN bus. Any defective cell can be replaced or the entire pack can be replaced.
El funcionamiento de un paquete de celdas RESS basado en la estructura del circuito de gestión de la batería en la Figura 2 se describirá en función de los resultados de la simulación de un paquete de celdas RESS de cuatro celdas de batería de iones de litio.The operation of a RESS cell pack based on the battery management circuit structure in Figure 2 will be described based on the simulation results of a four-cell lithium-ion battery RESS cell pack.
Modo de equilibrado pasivoPassive balancing mode
Durante el proceso 109 de carga y descarga, el modo de equilibrado pasivo en la etapa 115 puede funcionar directamente para equilibrar al menos parcialmente las celdas de la batería mediante el uso de un dispositivo (5) óhmico individual tal como una sola resistencia (R1 de la Figura 2). La Figura 4 y la Figura 5 ilustran cuatro casos de funcionamiento del modo de equilibrado pasivo durante la carga/descarga. La función de los conmutadores o dispositivos de conmutación unidireccionales (S19, S20 ... S23 de la Figura 2) es conectar el dispositivo (5) óhmico individual tal como la resistencia individual R1 y una celda de batería B1-B4 en paralelo, que tiene la mayor energía, basándose en la ubicación de la celda de batería en el conjunto de baterías B1 a B4.During the charging and discharging process 109, the passive balancing mode in step 115 may function directly to at least partially balance the battery cells through the use of a single ohmic device (5) such as a single resistor (R1 of Figure 2). Figure 4 and Figure 5 illustrate four cases of passive balancing mode operation during charge/discharge. The function of the switches or one-way switching devices (S19, S20...S23 in Figure 2) is to connect the individual ohmic device (5) such as the individual resistor R1 and a battery cell B1-B4 in parallel, which has the most energy, based on the location of the battery cell in battery pack B1 through B4.
La Figura 4a ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de carga Ich que fluye desde una fuente de alimentación de carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B1 tiene un estado de carga alto o más alto y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga baja o más baja. La corriente del paquete de carga Ich se reduce por una corriente de equilibrado Ib 1 para la celda B1, en comparación con las otras celdas B2 a B4 que reciben la corriente de carga completa Ich que fluye a través del conmutador S9 y el diodo D10 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib 1 fluye a través del conmutador S1 y el diodo D2 que está en serie con el conmutador S1, y luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S19 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S21 y S20 que están apagados. La corriente Ib 1 fluye a través del dispositivo (5) óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores 23 y S4 y el diodo D3 que está en serie con el S4 y en paralelo con el conmutador S3 que está apagado. La corriente de carga para la celda B1, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, una menor necesidad de corriente de carga, es Ich- Ib 1. El valor de la corriente Ib 1 viene determinado por la caída de tensión en la celda B1 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S1, D2, S19, R1, S23, S4, D3 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente de equilibrado más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib 1. Se pueden añadir más rutas paralelas (no se muestran) que añaden más resistencias como la R2 a la resistencia R1. Figure 4a illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a charging current Ich flowing from a charging power supply. The control unit (9) has determined that the cell B1 has a high or higher state of charge and therefore a low or lower charge current requirement. The load packet current Ich is reduced by a balance current Ib1 for cell B1, compared to the other cells B2 to B4 receiving the full load current Ich flowing through switch S9 and the diode D10 in series with it. Balancing current I b 1 flows through switch S1 and diode D2 which is in series with switch S1, and then flows through switching device or switch S19 and not through switching devices or switches S21 and S20 which are off. The current I b 1 flows through the individual ohmic device (5), i.e. the individual resistor R1 and through the switching devices or switches 23 and S4 and the diode D3 which is in series with S4 and in parallel with the switch S3 which is off. The charging current for cell B1, which has a high or highest state of charge and therefore a lower charge current requirement, is I ch - I b 1 . The value of current I b 1 is determined by the voltage drop in cell B1 divided by the resistive impedance in circuit S1, D2, S19, R1, S23, S4, D3 which includes the resistance of resistor R1. If a higher balance current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b 1 . More parallel paths can be added (not shown) which add more resistors like R2 to resistor R1.
Las Figuras 4b a d muestran operaciones de carga similares, que reducen la corriente de carga en una o más celdas B1 a B4. La Figura 4b ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de carga Ich que fluye desde una fuente de alimentación de carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B2 tiene un estado de carga alto o más alto y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga baja o más baja. La corriente del paquete de carga Ich se reduce por una corriente de equilibrado Ib2 para la celda B2, en comparación con las otras celdas B1, B3, B4 que reciben la corriente de carga completa Ich que fluye a través del conmutador S9 y el diodo D10 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib2 fluye a través del conmutador S5 y el diodo D6 que está en serie con el conmutador S5. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S19 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S21 y S20 que están apagados. La corriente Ib2 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores S23 y S8 y el diodo D7 que está en serie con el S8 en paralelo con el conmutador S7 que está apagado. La corriente de carga para la celda b 2, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga baja o más baja, es Ich- Ib2. El valor de la corriente Ib2 viene determinado por la caída de tensión en la celda B2 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S5, D6, S19, R1, S23, S8, D7 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib2. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1. Si se enciende el dispositivo de conmutación o el conmutador S1 en lugar de S5 (no se muestra), la corriente de carga reducida Ich- Ib fluye a través de B1 y B2.Figures 4b to d show similar charging operations, which reduce the charging current in one or more cells B1 to B4. Figure 4b illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a charging current Ich flowing from a charging power supply. The control unit (9) has determined that cell B2 has a high or higher state of charge and therefore a low or lower charge current requirement. The load packet current Ich is reduced by a balance current Ib2 for cell B2 , compared to the other cells B1, B3, B4 receiving the full load current Ich flowing through switch S9 and diode D10 in series with it. Balancing current I b2 flows through switch S5 and diode D6 which is in series with switch S5. It then flows through the switching device or switch S19 and not through the switching devices or switches S21 and S20 which are off. The current I b2 flows through the individual ohmic device 5, ie the individual resistor R1 and through the switches S23 and S8 and the diode D7 which is in series with S8 in parallel with the switch S7 which is off. The charging current for cell b 2 , which has a high or highest state of charge and thus a low or lowest charge current requirement, is I ch - I b2 . The value of current I b2 is determined by the voltage drop in cell B2 divided by the resistive impedance in circuit S5, D6, S19, R1, S23, S8, D7 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b2 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1. If the device is turned on switching or switch S1 instead of S5 (not shown), the reduced load current I ch - I b flows through B1 and B2.
La Figura 4c ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de carga Ich que fluye desde una fuente de alimentación de carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B3 tiene un estado de carga alto o más alto y, por lo tanto, una menor necesidad de corriente de carga. La corriente del paquete de carga Ich se reduce por una corriente de equilibrado Ib3 para la celda B3, en comparación con las otras celdas B1, B2, B4 que reciben la corriente de carga completa Ich que fluye a través del conmutador S9 y el diodo D10 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib3 fluye a través del conmutador S11 y el diodo D12 que está en serie con el conmutador S11. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S20 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19 y S21 que están apagados. La corriente Ib3 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores 23 y S14 y el diodo D13 que está en serie con el S14 en paralelo con el conmutador S13 que está apagado. La corriente de carga para la celda B3, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga baja o más baja, es Ich - Ib3. El valor de la corriente Ib3 viene determinado por la caída de tensión en la celda B3 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S11, D12, S20, R1, S23, S14, D13 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib3. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1.Figure 4c illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a charging current Ich flowing from a charging power supply. The control unit (9) has determined that the cell B3 has a high or higher state of charge and therefore a lower charge current requirement. The load packet current Ich is reduced by a balance current Ib3 for cell B3, compared to the other cells B1, B2, B4 receiving the full load current Ich flowing through switch S9 and diode D10 in series with it. Balancing current I b3 flows through switch S11 and diode D12 which is in series with switch S11. It then flows through the switching device or switch S20 and not through the switching devices or switches S19 and S21 which are off. The current I b3 flows through the individual ohmic device 5, ie the individual resistor R1 and through switches 23 and S14 and diode D13 which is in series with S14 in parallel with switch S13 which is off. The charging current for cell B3, which has a high or highest state of charge and therefore a low or lowest charge current requirement, is I ch - I b3 . The value of current I b3 is determined by the voltage drop in cell B3 divided by the resistive impedance in circuit S11, D12, S20, R1, S23, S14, D13 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b3 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1.
La Figura 4d ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de carga Ich que fluye desde una fuente de alimentación de carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B4 tiene un estado de carga alto o más alto y, por lo tanto, una menor necesidad de corriente de carga. La corriente del paquete de carga Ich se reduce por una corriente de equilibrado Ib4 para la celda B4, en comparación con las otras celdas B1, B2, B3 que reciben la corriente de carga completa Ich que fluye a través del conmutador S9 y el diodo D10 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib4 fluye a través del conmutador S15 y el diodo D16 que está en serie con el conmutador S15. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S20 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19 y S21 que están apagados. La corriente Ib4 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores 23 y S18 y el diodo D17 que está en serie con el S18 en paralelo con el conmutador S17 que está apagado. La corriente de carga para la celda B4, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga baja o más baja, es Ich- Ib4. El valor de la corriente Ib4 viene determinado por la caída de tensión en la celda B4 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S15, D16, S20, R1, S23, S18, D17 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib4. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1. Si se enciende el dispositivo de conmutación o el conmutador S11 en lugar de los dispositivos de conmutación o el conmutador S15 (no se muestra), la corriente de carga reducida Ich - Ib fluye a través de B3 y B4.Figure 4d illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a charging current Ich flowing from a charging power supply. The control unit (9) has determined that the cell B4 has a high or higher state of charge and therefore a lower charge current requirement. The load packet current Ich is reduced by a balance current Ib4 for cell B4, compared to the other cells B1, B2, B3 receiving the full load current Ich flowing through switch S9 and diode D10 in series with it. Balancing current I b4 flows through switch S15 and diode D16 which is in series with switch S15. It then flows through the switching device or switch S20 and not through the switching devices or switches S19 and S21 which are off. The current I b4 flows through the individual ohmic device 5, ie the individual resistor R1 and through switches 23 and S18 and diode D17 which is in series with S18 in parallel with switch S17 which is off. The charging current for cell B4, which has a high or highest state of charge and therefore a low or lowest charge current requirement, is I ch - I b4 . The value of current I b4 is determined by the voltage drop in cell B4 divided by the resistive impedance in circuit S15, D16, S20, R1, S23, S18, D17 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b4 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1. If the switching device or switch S11 is turned on instead of the switching devices or switch S15 (not shown), the reduced load current Ich - Ib flows through B3 and B4.
Las Figuras 5a a 5d muestran el mismo sistema RESS de las Figuras 4a a 4d para el modo de descarga con una corriente de carga Ides a través de una carga. Las operaciones de conmutación son equivalentes a las descritas para las Figuras 4a a 4d. La Figura 5a ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 proporcionando una corriente de descarga Ides en una carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B1 tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede proporcionar más corriente de descarga. El paquete de descarga actual Ides se incrementa con una corriente de equilibrado Ib 1 para la celda B1, en comparación con las otras celdas B2 a B4 que experimentan la corriente de descarga Ides que fluye a través del conmutador S10 y el diodo D9 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib 1 fluye a través del conmutador S1 y el diodo D2 que está en serie con el conmutador S1. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S19 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S21 y S20 que están apagados. La corriente Ib 1 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores 23 y S4 y el diodo D3 que está en serie con el S4 y en paralelo con el conmutador S3 que está apagado. La corriente de descarga para la celda B1, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede proporcionar más corriente de descarga, es Ides + Ib 1. El valor de la corriente Ib 1 viene determinado por la caída de tensión en la celda B1 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S1, D2, S19, R1, S23, S4, D3 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib 1. Se pueden añadir más rutas paralelas (no se muestran) controladas por un dispositivo de conmutación o conmutador que añaden más resistencias como la R2 a la resistencia R1.Figures 5a to 5d show the same RESS system of Figures 4a to 4d for discharge mode with a load current Ides through a load. The switching operations are equivalent to those described for Figures 4a to 4d. Figure 5a illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 providing a discharge current Ides into a load. The control unit (9) has determined that the cell B1 has a high or highest state of charge and therefore can provide more discharge current. The discharge current packet Ides is increased with a balance current I b 1 for cell B1, compared to the other cells B2 to B4 experiencing discharge current Ides flowing through switch S10 and diode D9 in series with him. Balancing current I b 1 flows through switch S1 and diode D2 which is in series with switch S1. It then flows through the switching device or switch S19 and not through the switching devices or switches S21 and S20 which are off. The current I b 1 flows through the individual ohmic device 5, that is, the individual resistor R1 and through the switching devices or switches 23 and S4 and the diode D3 which is in series with S4 and in parallel with the switch S3 that is powered off. The discharge current for cell B1, which has a high or highest state of charge and therefore can provide more discharge current, is Ides + I b 1 . The value of current I b 1 is determined by the voltage drop in cell B1 divided by the resistive impedance in circuit S1, D2, S19, R1, S23, S4, D3 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b 1 . More parallel paths can be added (not shown) controlled by a switching device or switch that add more resistors like R2 to resistor R1.
La Figura 5b ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de descarga Ides que fluye a través de una carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B2 tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede suministrar más corriente de descarga. El paquete de descarga actual Ides se incrementa con una corriente de equilibrado Ib2 para la celda B2, en comparación con las otras celdas B1, B3, B4 que experimentan la corriente de descarga Ides que fluye a través del conmutador S10 y el diodo D9 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib2 fluye a través del conmutador S5 y el diodo D6 que está en serie con el conmutador S5. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S19 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S21 y S20 que están apagados. La corriente Ib2 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores o dispositivos de conmutación S23 y S8 y el diodo D7 que está en serie con el S8 en paralelo con el conmutador S7 que está apagado. La corriente de descarga para la celda B2, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga baja o más baja, es Ich+ Ib2. El valor de la corriente Ib2 viene determinado por la caída de tensión en la celda B2 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S5, D6, S19, R1, S23, S8, D7 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib2. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1 controladas por un conmutador. Si se enciende el dispositivo de conmutación o el conmutador S1 en lugar del dispositivo de conmutación o el conmutador S5 (no se muestra), la corriente de descarga aumentada Ich+ Ib fluye a través de B1 y B2.Figure 5b illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a discharge current Ides flowing through a load. The control unit (9) has determined that the cell B2 has a high or highest state of charge and therefore can supply more discharge current. The current discharge packet Ides is increased with a balancing current Ib2 for cell B2 , compared to the other cells B1, B3, B4 experiencing discharge current Ides flowing through switch S10 and diode D9 in series with it. Balancing current I b2 flows through switch S5 and diode D6 which is in series with switch S5. It then flows through the switching device or switch S19 and not through the switching devices or switches S21 and S20 which are off. The current I b2 flows through the individual 5 ohmic device, it is ie the individual resistor R1 and through the switches or switching devices S23 and S8 and the diode D7 which is in series with the S8 in parallel with the switch S7 which is off. The discharge current for cell B2, which has a high or highest state of charge and therefore a low or lowest charge current requirement, is Ich + Ib2 . The value of current I b2 is determined by the voltage drop in cell B2 divided by the resistive impedance in circuit S5, D6, S19, R1, S23, S8, D7 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b2 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1 controlled by a switch. If the switching device or switch S1 is turned on instead of the switching device or switch S5 (not shown), the increased discharge current Ich + Ib flows through B1 and B2.
La Figura 5c ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de descarga Ides que fluye a través de una carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B3 tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede proporcionar una corriente de descarga mayor. El paquete de descarga actual Ides se incrementa con una corriente de equilibrado Ib3 para la celda B3, en comparación con las otras celdas B1, B2, B4 que experimentan la corriente de descarga Ides que fluye a través del conmutador S10 y el diodo D9 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib3 fluye a través del conmutador S11 y el diodo D12 que está en serie con el conmutador S11. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S20 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19 y S21 que están apagados. La corriente Ib3 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores 23 y S14 y el diodo D13 que está en serie con el S14 en paralelo con el dispositivo de conmutación o el conmutador S13 que está apagado. La corriente de descarga para la celda B3, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede proporcionar más corriente de descarga, es Ides + Ib3. El valor de la corriente Ib3 viene determinado por la caída de tensión en la celda B3 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S11, D12, S20, R1, S23, S14, D13 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib3. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1 controladas por un dispositivo de conmutación o conmutador.Figure 5c illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a discharge current Ides flowing through a load. The control unit (9) has determined that the cell B3 has a high or highest state of charge and can therefore provide a higher discharge current. The current discharge packet Ides is increased with a balancing current Ib3 for cell B3, compared to the other cells B1, B2, B4 experiencing discharge current Ides flowing through switch S10 and diode D9 in series with it. Balancing current I b3 flows through switch S11 and diode D12 which is in series with switch S11. It then flows through the switching device or switch S20 and not through the switching devices or switches S19 and S21 which are off. The current I b3 flows through the individual ohmic device 5, i.e. the individual resistor R1 and through the switching devices or switches 23 and S14 and the diode D13 which is in series with S14 in parallel with the switching device or switch S13 which is off. The discharge current for cell B3, which has a high or highest state of charge and therefore can provide more discharge current, is Ides + I b3 . The value of current I b3 is determined by the voltage drop in cell B3 divided by the resistive impedance in circuit S11, D12, S20, R1, S23, S14, D13 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b3 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1 controlled by a switching device or switch.
La Figura 5d ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 sometido a una corriente de descarga Ides que fluye a través de una carga. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B4 tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede suministrar más corriente de descarga. El paquete de descarga actual Ides se incrementa con una corriente de equilibrado Ib4 para la celda B4, en comparación con las otras celdas B1, B2, B3 que reciben la corriente de descarga Ides que fluye a través del conmutador S10 y el diodo D9 en serie con él. La corriente de equilibrado Ib4 fluye a través del conmutador S15 y el diodo D16 que está en serie con el conmutador S15. Luego fluye a través del dispositivo de conmutación o conmutador S20 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19 y S21 que están apagados. La corriente Ib4 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores 23 y S18 y el diodo D17 que está en serie con el S18 en paralelo con el dispositivo de conmutación o el conmutador S17 que está apagado. La corriente de descarga para la celda B4, que tiene un estado de carga alto o el más alto y, por lo tanto, puede proporcionar más corriente de descarga, es Ides + Ib4. El valor de la corriente Ib4 viene determinado por la caída de tensión en la celda B4 dividido por la impedancia resistiva en el circuito S15, D16, S20, R1, S23, S18, D17 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib4. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1 controladas por un dispositivo de conmutación o conmutador. Si se enciende el dispositivo de conmutación o el conmutador S11 en lugar del dispositivo de conmutación o S15 (no se muestra), la corriente de descarga aumentada Ich+ Ib fluye a través de B3 y B4.Figure 5d illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 subjected to a discharge current Ides flowing through a load. The control unit (9) has determined that the cell B4 has a high or highest state of charge and therefore can supply more discharge current. The current discharge packet Ides is increased with a balancing current Ib4 for cell B4, compared to the other cells B1, B2, B3 receiving discharge current Ides flowing through switch S10 and diode D9 in series with it. Balancing current I b4 flows through switch S15 and diode D16 which is in series with switch S15. It then flows through the switching device or switch S20 and not through the switching devices or switches S19 and S21 which are off. The current I b4 flows through the individual ohmic device 5, i.e. the individual resistor R1 and through the switching devices or switches 23 and S18 and the diode D17 which is in series with S18 in parallel with the switching device or switch S17 which is off. The discharge current for cell B4, which has a high or highest state of charge and therefore can provide more discharge current, is Ides + I b4 . The value of current I b4 is determined by the voltage drop in cell B4 divided by the resistive impedance in circuit S15, D16, S20, R1, S23, S18, D17 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current I b4 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1 controlled by a switching device or switch. If the switching device or switch S11 is turned on instead of the switching device or S15 (not shown), the increased discharge current Ich + Ib flows through B3 and B4.
En una simulación adicional, como se muestra en las Figuras 7 y 9, durante el tiempo de reposo, el SoC inicial de las celdas que están conectadas en serie se ajustó para que fuera el 100%, 98%, 94 y 92 para la celda B1, la celda B2 y la celda B3 y la celda B4 respectivamente. A causa de la diferencia del 8% en el SoC entre las celdas, la diferencia de tensión es de alrededor de 270 mV. Como se puede observar en la Figura 9, la pérdida de energía de los dispositivos óhmicos individuales y múltiples, tales como las resistencias (véase la Figura 6), es casi la misma (~ 1,8 Wh). Sin embargo, la tasa de pérdida de calor para el dispositivo óhmico individual es aproximadamente la mitad de la del dispositivo de resistencia múltiple y, por lo tanto, la subida de la temperatura de los componentes del circuito se reduce aumentando la vida útil de los componentes.In a further simulation, as shown in Figures 7 and 9, during sleep time, the initial SoC of the cells that are connected in series was adjusted to be 100%, 98%, 94, and 92 for the cell B1, cell B2 and cell B3 and cell B4 respectively. Because of the 8% difference in SoC between cells, the voltage difference is around 270 mV. As can be seen in Figure 9, the power loss of single and multiple ohmic devices, such as resistors (see Figure 6), is almost the same (~1.8 Wh). However, the rate of heat loss for the single ohmic device is about half that of the multi-resistance device, and therefore the temperature rise of the circuit components is reduced, increasing the life of the components. .
El tiempo de equilibrado con las resistencias múltiples (~ 19 min) es menor que el tiempo necesario para equilibrar las celdas con una sola resistencia (~ 29 min), sin embargo, esta diferencia de tiempo no es significativamente mayor. Por lo tanto, en la presente invención no hay necesidad de aumentar el número de resistencias en más de una, aunque la opción de hacerlo como se proporciona en las realizaciones de la presente invención es ventajosa. En consecuencia, en las realizaciones de esta invención, el sistema de gestión propuesto utiliza una sola resistencia no solo para el modo de equilibrado pasivo sino también para el equilibrado en serie y en paralelo y los modos de prueba de impedancia de CA gracias a la disposición inteligente de los conmutadores dedicados. Esta ventaja compensa cualquier pequeño aumento en el tiempo de equilibrado. The equilibration time with the multiple resistors (~19 min) is less than the time required to equilibrate the cells with a single resistor (~29 min), however this time difference is not significantly greater. Therefore, in the present invention there is no need to increase the number of resistors by more than one, although the option to do so as provided in the embodiments of the present invention is advantageous. Consequently, in the embodiments of this invention, the proposed management system uses a single resistor not only for passive balancing mode but also for series and parallel balancing and AC impedance test modes thanks to the arrangement intelligent dedicated switches. This benefit offsets any small increase in balance time.
Para validar el rendimiento de la estrategia de control propuesta para el modo de equilibrado pasivo mediante el uso de una resistencia óhmica individual, el circuito de gestión propuesto fue diseñado y realizado mediante el uso de Matlab/Simulink. Estas simulaciones se llevaron a cabo durante la carga y descarga. Durante la carga, el desequilibrio en el estado de carga (SoC) fue de alrededor del 8%. La Figura 10 muestra los resultados de la simulación del modo de equilibrado pasivo durante el proceso de carga. La Figura 11 demuestra los resultados de la simulación del mismo modo de equilibrado durante la descarga en la misma condición inicial (8% de diferencia en el SoC). Como resultado, el sistema de gestión propuesto según las realizaciones de la presente invención, especialmente aquellas con una estrategia de control de modulación por ancho de pulso (PWM) (véase las estrategias de control de PWM a continuación) tiene la capacidad de eliminar el desequilibrio en la tensión y el SoC mediante el uso de un dispositivo óhmico individual tal como un modo de equilibrado pasivo de resistencia.To validate the performance of the proposed control strategy for the passive balancing mode by using a single ohmic resistor, the proposed management circuit was designed and realized using Matlab/Simulink. These simulations were carried out during loading and unloading. During charging, the imbalance in the state of charge (SoC) was around 8%. Figure 10 shows the simulation results of the passive balancing mode during the charging process. Figure 11 demonstrates the simulation results of the same balancing mode during discharge under the same initial condition (8% difference in SoC). As a result, the management system proposed according to the embodiments of the present invention, especially those with a pulse width modulation (PWM) control strategy (see PWM control strategies below) has the ability to eliminate the imbalance on the voltage and the SoC by using a single ohmic device such as a passive resistor balancing mode.
Modo de equilibrado en serie y en paralelo: un modo de equilibrado con alimentación interna para los tiempos de inactividadSeries and Parallel Balance Mode – An internally powered balance mode for downtime
En este modo de equilibrado, la conexión de algunas celdas B1 a B4 se cambia de serie a paralelo y, opcionalmente, las celdas B1 a B4 pueden desconectarse de cualquier carga o dispositivo de carga abriendo el relé (8) de protección. La Figura 12 ilustra cuatro casos de funcionamiento de modos de equilibrado con alimentación interna para el tiempo de inactividad, tal como los modos de equilibrado en serie y en paralelo durante el tiempo de reposo usando, por ejemplo, un dispositivo (5) óhmico individual tal como una sola resistencia R1, por medio de la cual la Figura 12a ilustra una transferencia de energía desde la celda 3 y la celda 4 a la celda 1, la Figura 12b ilustra una transferencia de energía desde la celda 3 y la celda 4 de la celda de la batería 2, la Figura 12c ilustra una transferencia de energía desde la celda 1 y la celda 2 de la celda de la batería 3 y la Figura 12d ilustra una transferencia de energía desde la celda de la batería 1 y la celda 2 a la celda 4. Se puede observar que se pueden usar cuatro conmutadores unidireccionales (S19, S20, S21 y S22) para controlar la dirección de la corriente de equilibrado a través de la misma resistencia, que se utiliza en este modo para limitar la corriente de equilibrado.In this balancing mode, the connection of some cells B1 to B4 is changed from series to parallel and, optionally, cells B1 to B4 can be disconnected from any load or load device by opening the protection relay (8). Figure 12 illustrates four operating cases of internally powered balancing modes for idle time, such as series and parallel balancing modes during idle time using, for example, a single ohmic device (5) such as as a single resistor R1, whereby Figure 12a illustrates a transfer of energy from cell 3 and cell 4 to cell 1, Figure 12b illustrates a transfer of energy from cell 3 and cell 4 of the battery cell 2, Figure 12c illustrates a transfer of energy from cell 1 and cell 2 to battery cell 3 and Figure 12d illustrates a transfer of energy from battery cell 1 and cell 2 to cell 4. It can be seen that four one-way switches (S19, S20, S21, and S22) can be used to control the direction of the balance current through the same resistor, which is used in this mode to limit the balance current. balanced.
La Figura 12a ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 en modo inactivo o en reposo. El RESS se puede aislar abriendo el relé (8) de protección. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B1 tiene un estado de carga bajo y, por lo tanto, una mayor necesidad de corriente de carga. La corriente de carga Ib1 se suministra a la celda B1 desde las celdas B3 y B4. Los dispositivos de conmutación o conmutadores S9 y S10 están apagados. La corriente de equilibrado Ib1 fluye a través del conmutador S11 y el diodo D12, que está en serie con el conmutador S11. Luego fluye a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S20 y S21 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19, S23 y S22 que están apagados. La corriente Ib1 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S21 y S2 y el diodo D1 que está en serie con el S2 y en paralelo con el conmutador S1 que está apagado. La corriente de carga para la celda B1 es Ib1. El valor de la corriente Ib1 viene determinado por la caída de tensión en las celdas B3 y B4 en serie menos la caída de tensión en la celda B1, por la impedancia resistiva en el circuito S11, D12, S20, R1, S21, S2, D1, S3, D4, S18, D17 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib1. Se pueden añadir más rutas paralelas (no se muestran) que añaden más resistencias como la R2 a la resistencia R1 y controlarse mediante un conmutador o dispositivo de conmutación.Figure 12a illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 in idle mode. The RESS can be isolated by opening the protection relay (8). The control unit (9) has determined that the cell B1 has a low state of charge and, therefore, a greater need for charging current. The charging current Ib 1 is supplied to cell B1 from cells B3 and B4. The switching devices or switches S9 and S10 are off. Balancing current Ib 1 flows through switch S11 and diode D12, which is in series with switch S11. It then flows through the switching devices or switches S20 and S21 and not through the switching devices or switches S19, S23 and S22 which are off. The current Ib 1 flows through the individual ohmic device 5, i.e. the individual resistor R1 and through the switching devices or switches S21 and S2 and the diode D1 which is in series with S2 and in parallel with switch S1. which is off. The charging current for cell B1 is Ib 1 . The value of the current Ib 1 is determined by the voltage drop in cells B3 and B4 in series minus the voltage drop in cell B1, by the resistive impedance in the circuit S11, D12, S20, R1, S21, S2 , D1, S3, D4, S18, D17 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current Ib 1 . More parallel paths (not shown) can be added which add more resistors like R2 to resistor R1 and controlled by a switch or switching device.
La Figura 12b ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 en modo inactivo. El RESS se puede aislar abriendo el relé (8) de protección. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B2 tiene un estado de carga bajo y, por lo tanto, una mayor necesidad de corriente de carga. La corriente de carga Ib2 para la celda B2 se suministra a la celda B2 desde las celdas B3 y B4, los dispositivos de conmutación o los conmutadores S9 y el conmutador S10 están apagados. La corriente de equilibrado Ib2 fluye a través del conmutador S11 y el diodo D12 que está en serie con el conmutador S11. Luego fluye a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S20 y S21 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S22, S23 y S19 que están apagados. La corriente Ib2 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores o dispositivos de conmutación S21 y S6 y el diodo D5 que está en serie con el S6 en paralelo con el conmutador S5 que está apagado. El valor de la corriente Ib2 viene determinado por la caída de tensión en las celdas B3 y B4 menos la caída de tensión en la celda B2 dividida por la impedancia resistiva en el circuito S11, D12, S20, R1, S21, S6, D5, S7, D8, S18, D17 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib2. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1 controladas por un dispositivo de conmutación o conmutador.Figure 12b illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 in idle mode. The RESS can be isolated by opening the protection relay (8). The control unit (9) has determined that the cell B2 has a low state of charge and, therefore, a greater need for charging current. The load current Ib 2 for cell B2 is supplied to cell B2 from cells B3 and B4, the switching devices or switches S9 and switch S10 are off. Balancing current Ib 2 flows through switch S11 and diode D12 which is in series with switch S11. It then flows through the switching devices or switches S20 and S21 and not through the switching devices or switches S22, S23 and S19 which are off. The current Ib 2 flows through the individual ohmic device 5, i.e. the individual resistor R1 and through the switches or switching devices S21 and S6 and the diode D5 which is in series with S6 in parallel with the switch S5 which is turned off. The value of the current Ib 2 is determined by the voltage drop in cells B3 and B4 minus the voltage drop in cell B2 divided by the resistive impedance in the circuit S11, D12, S20, R1, S21, S6, D5 , S7, D8, S18, D17 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing the current Ib 2 . More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1 controlled by a switching device or switch.
La Figura 12c ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 en modo inactivo. El RESS se puede aislar abriendo el relé (8) de protección. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B3 tiene un estado de carga bajo y, por lo tanto, una mayor necesidad de corriente de carga. Los dispositivos de conmutación o conmutadores S9 y S10 están apagados. La corriente de equilibrado Ib3 se proporciona mediante las celdas B1 y B2 y fluye a través del conmutador S1 y el diodo D2 que está en serie con el conmutador S1. Luego fluye a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19 y S22 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S20, S23 y S21 que están apagados. La corriente Ib3 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores o dispositivos de conmutación S22 y S12 y el diodo D11 que está en serie con el S12 en paralelo con el conmutador S11 que está apagado. El valor de la corriente Ib3 viene determinado por la caída de tensión en las celdas B1 y B2 en serie menos la caída de tensión en B3 dividida por la impedancia resistiva en el circuito S1, D2, S19, R1, s 22, S12, D11, S13, D14, S8, D7 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib3. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1 controladas por un dispositivo de conmutación o conmutador.Figure 12c illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 in idle mode. The RESS can be isolated by opening the protection relay (8). The control unit (9) has determined that the cell B3 has a low state of charge and, therefore, a greater need for charging current. The switching devices or switches S9 and S10 are off. Balancing current Ib3 is provided by cells B1 and B2 and flows through switch S1 and diode D2 which is in series with switch S1. It then flows through the switching devices or switches S19 and S22 and not through the switching devices or switches S20, S23 and S21 which are off. The current Ib3 flows through the individual ohmic device 5, i.e. the individual resistor R1 and through the switches or switching devices S22 and S12 and the diode D11 which is on. series with S12 in parallel with switch S11 which is off. The value of current Ib 3 is determined by the voltage drop across cells B1 and B2 in series minus the voltage drop across B3 divided by the resistive impedance in circuit S1, D2, S19, R1, s 22, S12, D11, S13, D14, S8, D7 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing current Ib3. More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1 controlled by a switching device or switch.
La Figura 12d ilustra el paquete de celdas RESS de las Figuras 1 y 2 en modo inactivo. El RESS se puede aislar abriendo el relé (8) de protección. La unidad (9) de control ha determinado que la celda B4 tiene un estado de carga bajo y, por lo tanto, una necesidad de corriente de carga. Los dispositivos de conmutación o conmutadores S9 y S10 están apagados. La corriente de equilibrado Ib4 se proporciona mediante las celdas B1 y B2 y fluye a través del conmutador S1 y el diodo D2 que está en serie con el conmutador S1. Luego fluye a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S19 y S22 y no a través de los dispositivos de conmutación o conmutadores S20, S23 y S21 que están apagados. La corriente Ib4 fluye a través del dispositivo 5 óhmico individual, es decir, la resistencia individual R1 y a través de los conmutadores o dispositivos de conmutación S22 y S16 y el diodo D15 que está en serie con el S16 en paralelo con el conmutador S15 que está apagado. El valor de la corriente Ib4 viene determinado por la caída de tensión en las celdas B1 y B2 en serie menos la caída en B4 dividida por la impedancia resistiva en el circuito S1, D2, S19, R1, S22, S16, D15, S17, D18, S8, D7 que incluye la resistencia de la resistencia R1. Si se desea una corriente más alta, se puede encender el dispositivo de conmutación o el conmutador S24 y la resistencia R2 se conecta en paralelo con R1, por lo que se reduce la resistencia y se aumenta la corriente Ib4. Se pueden añadir más rutas paralelas que añaden más resistencias como la R2 (no se muestra) a la resistencia R1 controladas por un dispositivo de conmutación o conmutador.Figure 12d illustrates the RESS cell pack of Figures 1 and 2 in idle mode. The RESS can be isolated by opening the protection relay (8). The control unit (9) has determined that the cell B4 has a low state of charge and therefore a need for charging current. The switching devices or switches S9 and S10 are off. Balancing current Ib4 is provided by cells B1 and B2 and flows through switch S1 and diode D2 which is in series with switch S1. It then flows through the switching devices or switches S19 and S22 and not through the switching devices or switches S20, S23 and S21 which are off. The current Ib4 flows through the individual ohmic device 5, i.e. the individual resistor R1 and through the switches or switching devices S22 and S16 and the diode D15 which is in series with the S16 in parallel with the switch S15 which is off. The value of current Ib4 is determined by the voltage drop across cells B1 and B2 in series minus the drop across B4 divided by the resistive impedance in circuit S1, D2, S19, R1, S22, S16, D15, S17, D18, S8, D7 which includes the resistance of resistor R1. If a higher current is desired, the switching device or switch S24 can be turned on and resistor R2 is connected in parallel with R1, thereby reducing the resistance and increasing current Ib4. More parallel paths can be added which add more resistors like R2 (not shown) to resistor R1 controlled by a switching device or switch.
Figura 12: Cuatro casos de funcionamiento del modo de equilibrado en serie y en paralelo durante el tiempo de reposo mediante el uso de una sola resistencia: a) transferir energía de la celda 3 y la celda 4 de la celda de la batería 1, b) transferir energía de la celda 3 y la celda 4 de la celda de la batería 2, c) transferir energía de la celda 1 y la celda 2 de la celda de la batería 3, y d) transferir energía de la celda 1 y la celda 2 de la celda de la batería 4Figure 12: Four cases of series and parallel balancing mode operation during sleep time by using a single resistor: a) transfer power from cell 3 and cell 4 to battery cell 1, b ) transfer power from cell 3 and cell 4 to battery cell 2, c) transfer power from cell 1 and cell 2 to battery cell 3, and d) transfer power from cell 1 and cell 2 cell battery 4
Además, las realizaciones de la presente invención proporcionan la capacidad de integrar el RESS, como un paquete de baterías, en una red eléctrica mediante la carga y descarga desde el mismo puerto, como se muestra en la Figura 2.Furthermore, embodiments of the present invention provide the ability to integrate the RESS, as a battery pack, into an electrical grid by charging and discharging from the same port, as shown in Figure 2.
Además, como se muestra en la Figura 13, las realizaciones de la presente invención tienen la capacidad de cargar y descargar las baterías desde diferentes puertos mediante el uso de un cargador (20) de CC independiente.Furthermore, as shown in Figure 13, embodiments of the present invention have the ability to charge and discharge the batteries from different ports through the use of a separate DC charger (20).
El cargador (20) de CC externo se puede conectar o ser conectable a un punto de unión entre los dispositivos de conmutación o los conmutadores S21 a S22. Estos dispositivos de conmutación o conmutadores controlan el acceso a las celdas B1 a B4. El RESS se puede aislar abriendo el relé (8) de protección.The external DC charger 20 may be connected or connectable to a junction point between the switching devices or switches S21 to S22. These switching devices or switches control access to cells B1 to B4. The RESS can be isolated by opening the protection relay (8).
Por ejemplo, la ruta de corriente desde el cargador (20) de CC puede ser a través del dispositivo de conmutación o el conmutador S21 (S23 está apagado) S2, D1, las celdas de carga B1 y B2, a través del conmutador S7 y D8 en serie con S7 y desde allí a tierra. Así se cargan las celdas B1 y B2. Si solo se va a cargar B1, entonces la ruta de retorno a tierra puede ser a través del conmutador de encendido S3 y el diodo D4 en serie con S3 a tierra. Si solo se va a cargar B2, la ruta desde el cargador 20 de CC pasa a través del conmutador S6 con el diodo D5 en serie con el conmutador S6 y el retorno a tierra es a través de S7 y D8.For example, the current path from the DC charger (20) may be through the switching device or switch S21 (S23 is off) S2, D1, load cells B1 and B2, through switch S7 and D8 in series with S7 and from there to ground. This charges cells B1 and B2. If only B1 is to be charged, then the return path to ground can be via ignition switch S3 and diode D4 in series with S3 to ground. If only B2 is to be charged, the path from DC charger 20 is through switch S6 with diode D5 in series with switch S6 and return to ground is through S7 and D8.
Una segunda ruta de carga es desde el cargador (20) de CC (en paralelo a las rutas de carga mencionadas anteriormente), a través del conmutador de encendido S22, el conmutador S12 y el diodo D11 en serie, las celdas de carga B3 y B4, a través del conmutador S17 y el diodo D18 en serie con S17 a tierra. Si solo se va a cargar B3, la ruta de retorno a tierra puede ser a través de S13 y el diodo D14. Si solo se va a cargar B4, la ruta desde el cargador (20) es a través de los conmutadores de encendido 22 y S16 y el diodo D15. El retorno a tierra se realiza mediante el conmutador S17 y el diodo D18 a tierra.A second charging path is from the DC charger (20) (in parallel to the charging paths mentioned above), via power switch S22, switch S12 and diode D11 in series, load cells B3 and B4, through switch S17 and diode D18 in series with S17 to ground. If only B3 is to be charged, the return path to ground can be via S13 and diode D14. If only B4 is to be charged, the path from charger (20) is via ignition switches 22 and S16 and diode D15. Return to ground is done by switch S17 and diode D18 to ground.
Para validar el rendimiento del modo de equilibrado en serie y en paralelo en comparación con el modo de equilibrado pasivo mediante el uso de una resistencia óhmica individual, se usaron las mismas condiciones iniciales (270 mV de diferencia en la tensión entre las celdas y 8% de diferencia en el SoC) para comparar entre dos modos de equilibrado como se muestra en la Figura 14. Para comprobar la capacidad de la estrategia de control propuesta para eliminar cualquier diferencia en el nivel de SoC, el SoC de la celda 1 y la celda 2 se ha ajustado al mismo nivel (100% de SoC) y el mismo SoC para la celda 3 y la celda 4 (92%).To validate the performance of the series and parallel balancing mode compared to the passive balancing mode using a single ohmic resistor, the same initial conditions (270 mV difference in voltage between cells and 8% difference in voltage between cells) were used. difference in SoC) to compare between two balancing modes as shown in Figure 14. To test the ability of the proposed control strategy to eliminate any difference in SoC level, the SoC of cell 1 and cell 2 has been tuned to the same level (100% SoC) and the same SoC for cell 3 and cell 4 (92%).
Está claro en la Figura 14 que el modo de equilibrado pasivo pudo eliminar el desequilibrio más rápido (31 min) que usando el modo de equilibrado en serie y en paralelo (56 min). La selección del tiempo de equilibrado depende principalmente de la aplicación para identificar la cantidad de uso del paquete de baterías por día. Sin embargo, en la presente invención, el tiempo de equilibrado podría ajustarse cambiando el valor del dispositivo óhmico de equilibrado (es decir, la disminución de la resistencia óhmica de equilibrado, p. ej., mediante resistencias en paralelo) conlleva un aumento de la corriente de equilibrado y, por lo tanto, disminuye el tiempo de equilibrado). It is clear from Figure 14 that the passive balancing mode was able to remove the unbalance faster (31 min) than using the series and parallel balancing mode (56 min). The selection of the balance time depends primarily on the application to identify the amount of use of the battery pack per day. However, in the present invention, the balancing time could be adjusted by changing the value of the balancing ohmic device (i.e. decreasing the balancing ohmic resistance, e.g. by paralleling resistors) leads to an increase in the balancing ohmic resistance. balancing current and thus decreases the balancing time).
Para ilustrar la principal ventaja de usar un modo en serie y en paralelo durante el tiempo de reposo, la Figura 16 muestra que el modo de equilibrado en serie y en paralelo tiene la capacidad de reducir la pérdida de energía en un 80% en comparación con el modo de equilibrado pasivo, porque el modo de equilibrado en serie y en paralelo proporciona una ruta de descarga entre las celdas de mayor y menor energía. Por ejemplo, como se puede observar en la Figura 15, el SoC de la celda 1 y la celda 2 disminuyó del 100% al 95% y el SoC de la celda 3 y la celda 4 aumentó del 92% al 94,5% a causa del uso del modo de equilibrado en serie y en paralelo. En el modo pasivo, el SoC de la celda 1 y la celda 2 disminuyó un 6% al disipar la energía en la resistencia óhmica individual.To illustrate the main advantage of using a series and parallel mode during sleep time, Figure 16 shows that balanced series and parallel mode has the ability to reduce power loss by 80% compared to the passive balanced mode, because the series and parallel balanced mode provides a discharge path between the higher and lower energy cells. For example, as can be seen in Figure 15, the SoC of cell 1 and cell 2 decreased from 100% to 95% and the SoC of cell 3 and cell 4 increased from 92% to 94.5% at because of the use of the balancing mode in series and in parallel. In passive mode, the cell 1 and cell 2 SoC decreased by 6% by dissipating power into the individual ohmic resistor.
Estrategias de control de modulación por ancho de pulso (PWM)Pulse Width Modulation (PWM) Control Strategies
Para superar el desequilibrio de la tensión y el SoC entre las celdas que están conectadas en serie, se desarrolló una estrategia de control basada en la técnica PWM como se muestra en la Figura 17 que se puede utilizar con cualquiera de las realizaciones de la presente invención. Como se describe anteriormente, los modos de equilibrado dependen principalmente de descargar la energía de la celda de mayor energía a la celda de menor energía (en el caso del modo en serie y en paralelo) o de disipar la energía en una resistencia óhmica individual (en el caso del modo pasivo), lo cual significa que el equilibrado se realiza en una forma de equilibrado, celda por celda. En esta sección se describe la estrategia de control que se ha diseñado para baterías de iones de litio, por ejemplo.To overcome the SoC and voltage imbalance between the cells that are connected in series, a control strategy based on the PWM technique was developed as shown in Figure 17 that can be used with any of the embodiments of the present invention. . As described above, balancing modes primarily rely on either discharging energy from the higher energy cell to the lower energy cell (in the case of series and parallel mode) or dissipating energy into a single ohmic resistor ( in the case of passive mode), which means that the balancing is done in a cell-by-cell balancing manner. This section describes the control strategy that has been designed for lithium-ion batteries, for example.
Sin embargo, este control puede modificarse para utilizarse en diferentes tecnologías de almacenamiento de energía. En el caso de celdas de batería de iones de litio, la tensión OCV es casi plana y la diferencia entre la tensión al 100% del SoC y al 0% del SoC es de alrededor de 600 mV. Por lo tanto, el sistema de gestión de baterías debe desconectar el paquete de baterías para protegerlo cuando la diferencia entre las tensiones de las celdas en el conjunto supera un valor límite, p. ej., más de 300 mV (durante el tiempo de reposo).However, this control can be modified for use in different energy storage technologies. In the case of lithium-ion battery cells, the OCV voltage is almost flat, and the difference between the voltage at 100% SoC and 0% SoC is about 600 mV. Therefore, the battery management system must disconnect the battery pack to protect it when the difference between the voltages of the cells in the set exceeds a limit value, e.g. g., more than 300 mV (during sleep time).
En la Figura 17, las entradas del esquema de control son la tensión de todas las celdas que están conectadas en serie. A continuación, se calculan las tensiones máxima y mínima para identificar la celda de energía más alta y más baja en función de la tensión de la celda. Posteriormente, la diferencia de tensión (AV) (200) se limita (201) mediante el uso del bloque de saturación. La salida del bloque de saturación (AVl) (202) varía entre 0 y 200 mV, y luego el valor por unidad (P.U) (203) (AVl p u ) (204) se calcula mediante (AVl (202) / 200 mV) con el objetivo de obtener la diferencia de tensión (AVlp u) (204) cambiando de 0 a 1. La salida del bloque P.U (203) se compara con la onda (205) portadora (es decir, rampa positiva o rampa negativa u onda triangular) para generar la señal (206) de pulsos de conmutador. La señal (206) de pulsos de conmutador se utiliza como señales de activación para controlar los conmutadores. Por ejemplo, en modo pasivo, la señal de pulsos de conmutador se puede utilizar para activar los dispositivos de conmutación o conmutadores S1, S19, S23, S4 a fin de disminuir la alta energía de la celda de batería B1.In Figure 17, the inputs to the control scheme are the voltage of all the cells that are connected in series. The maximum and minimum voltages are then calculated to identify the highest and lowest power cell based on the cell voltage. Subsequently, the voltage difference (AV) (200) is limited (201) by using the saturation block. The output of the saturation block (AV l ) (202) varies between 0 and 200 mV, and then the value per unit (PU) (203) (AV lpu ) (204) is calculated by (AV l (202) / 200 mV) in order to obtain the voltage difference (AV lp u ) (204) changing from 0 to 1. The output of the PU block (203) is compared with the carrier wave (205) (that is, positive ramp or negative ramp). negative or triangle wave) to generate the switch pulse signal (206). The switch pulse signal 206 is used as drive signals to control the switches. For example, in passive mode, the switch pulse signal can be used to activate the switching devices or switches S1, S19, S23, S4 in order to lower the high energy of the battery cell B1.
Como se puede observar en la Figura 18, la señal (209) de pulsos de conmutador puede generarse calculando los puntos de intersección entre las diferencias de tensión (AVlp u) (208) y la onda portadora (207), as. La señal de pulsos se utiliza principalmente para abrir la ruta de descarga de la celda, que tiene la tensión máxima en comparación con el resto de las celdas del conjunto.As can be seen in Figure 18, the switch pulse signal (209) can be generated by calculating the intersection points between the voltage differences (AV lp u ) (208) and the carrier wave (207), as. The pulse signal is primarily used to open the cell's discharge path, which has the highest voltage compared to the rest of the cells in the array.
Se utiliza una forma de onda portadora para mantener la frecuencia del pulso constante. Para validar el rendimiento de la estrategia de control de PWM para implementar con exactitud los modos de equilibrado, se han diseñado e investigado diferentes modos de equilibrado basados en la estrategia de control de PWM.A carrier waveform is used to keep the pulse rate constant. To validate the performance of the PWM control strategy to accurately implement the balancing modes, different balancing modes based on the PWM control strategy have been designed and investigated.
Modo de prueba de impedancia de CAAC impedance test mode
Las realizaciones de la presente invención incluyen una o más pruebas de diagnóstico seleccionadas entre pruebas de diagnóstico de corriente, diagnóstico de tensión y diagnóstico de resistencia o impedancia, p. ej., como se indica en los documentos US 4.719.427 y US 4.361.809 que se incorporan en esta memoria por referencia. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que no se necesita un generador de funciones externo con conmutadores para aplicar una señal sinusoidal tal como una señal sinusoidal pequeña para calcular la impedancia de CA de la celda de batería.Embodiments of the present invention include one or more diagnostic tests selected from current diagnostic tests, voltage diagnostic tests, and resistance or impedance diagnostic tests, e.g. eg, as set forth in US 4,719,427 and US 4,361,809 which are incorporated herein by reference. An advantage of embodiments of the present invention is that an external function generator with switches is not needed to apply a sinusoidal signal such as a small sinusoidal signal to calculate the AC impedance of the battery cell.
En esta realización, se proporciona un modo DFP o SoH para un sistema, procedimiento o dispositivo con la misma configuración (p. ej., conmutadores bidireccionales y unidireccionales opcionalmente conectados a un dispositivo óhmico individual, tal como una resistencia) que se utiliza para equilibrar, como se describe anteriormente con referencia a las Figuras 1, 2, 4, 5, 12, 13. No es necesario utilizar una alimentación externa. En esta realización, se estima un parámetro de diagnóstico de una celda o paquete de celdas, tales como celdas de batería, p. ej., el SoH. Por ejemplo, el SoH de una celda de almacenamiento de energía recargable se puede estimar a partir de los resultados de aplicar un modo de prueba de impedancia de CA. Por ejemplo, se puede aplicar una onda cuadrada o cuasicuadrada o, en general, una señal de modulación por ancho de pulso, p. ej., una señal de corriente, a una celda o celdas en un paquete de baterías y medir la señal de la tensión de respuesta. Para generar los pulsos, tales como los pulsos de corriente de onda cuadrada o cuasi-cuadrada, por ejemplo, se puede usar un DFP para, por ejemplo, seleccionar un grupo de celdas de todas las celdas B1 a B4. El grupo de celdas seleccionado se puede utilizar como fuente de CC para someter a prueba otro grupo de celdas de la misma batería y viceversa, p. ej., sin necesidad de una alimentación externa o un convertidor de CC/CC. El RESS se puede aislar mediante el relé (8) de protección. In this embodiment, a DFP or SoH mode is provided for a system, procedure, or device with the same configuration (e.g., bidirectional and unidirectional switches optionally connected to a single ohmic device, such as a resistor) that is used to balance , as described above with reference to Figures 1, 2, 4, 5, 12, 13. It is not necessary to use an external supply. In this embodiment, a diagnostic parameter of a cell or cell pack, such as battery cells, e.g. g., the SoH. For example, the SoH of a rechargeable energy storage cell can be estimated from the results of applying an AC impedance test mode. For example, a square or quasi-square wave or, in general, a pulse width modulation signal, e.g. eg, a current signal, to a cell or cells in a battery pack and measure the response voltage signal. To generate the pulses, such as square wave or quasi-square wave current pulses, for example, a DFP can be used to, for example, select a group of cells from all cells B1 to B4. The selected cell group can be used as a DC source to test another cell group of the same battery and vice versa, e.g. without the need for an external power supply or DC/DC converter. The RESS can be isolated by means of the protection relay (8).
Por ejemplo, se puede aplicar una corriente pulsada tal como una corriente de onda cuadrada o cuasi-cuadrada a una o más celdas y registrar la tensión de la señal de respuesta. La Figura 19 ilustra un diagrama (300) de flujo para esta realización para estimar el SoH y/o el SoC de una celda o celdas de batería. Este procedimiento comprende o consiste en una prueba de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), p. ej., que comprende la etapa de aplicar una forma de onda de corriente periódica (p. ej., una onda cuadrada) a una celda o celdas de batería sometidas a prueba y medir una forma de onda de la tensión de respuesta. Para generar la corriente de onda cuadrada, se puede usar un grupo de celdas como fuente de CC para someter a prueba otro grupo de celdas (p. ej., que comprende una o más celdas de la misma batería) y viceversa.For example, a pulsed current such as a square or quasi-square wave current can be applied to one or more cells and the voltage of the response signal recorded. Figure 19 illustrates a flow chart (300) for this embodiment for estimating the SoH and/or SoC of a battery cell(s). This procedure comprises or consists of an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) test, e.g. eg, comprising the step of applying a periodic current waveform (eg, a square wave) to a battery cell or cells under test and measuring a response voltage waveform. To generate the square wave current, one group of cells can be used as a DC source to test another group of cells (eg, comprising one or more cells from the same battery) and vice versa.
El procedimiento comienza en la etapa 302, y en la etapa 304 se aplica la señal de corriente periódica tal como una señal de corriente de onda cuadrada a una o más celdas y se miden la señal de corriente aplicada y la una o más señales de la tensión de respuesta. En la etapa 306, la señal de tensión y corriente medida en el dominio del tiempo se transforma en el dominio de la frecuencia mediante el uso de DFT (transformada discreta de Fourier). A partir de las señales de tensión y corriente en el dominio de la frecuencia, se calcula una impedancia de CA de la celda o celdas de la batería en la etapa 308 dividiendo la tensión por la corriente en el dominio de la frecuencia, y luego la impedancia de resonancia (el valor más bajo de la impedancia de CA, por ejemplo, la impedancia de CA a 1 kHz (véase la Figura 21) se calcula para estimar el SoH de la celda o celdas de la batería en la etapa 309.The procedure begins at step 302, and at step 304 the periodic current signal such as a square wave current signal is applied to one or more cells and the applied current signal and the one or more signals from the current are measured. response tension. In step 306, the measured voltage and current signal in the time domain is transformed into the frequency domain by using DFT (Discrete Fourier Transform). From the voltage and current signals in the frequency domain, an AC impedance of the battery cell(s) is calculated in step 308 by dividing the voltage by the current in the frequency domain, and then the resonance impedance (the lowest value of AC impedance, eg, AC impedance at 1 kHz (see Figure 21) is calculated to estimate the SoH of the battery cell(s) in step 309.
Para validar la capacidad del sistema de gestión de la invención que realiza el modo de prueba de CA, se muestran los resultados en la Figura 20.To validate the capacity of the management system of the invention that performs the AC test mode, the results are shown in Figure 20.
Por ejemplo, en el caso 1 de la Figura 20, la celda B3 y la celda B4 se usan como una fuente de CC para aplicar el pulso positivo en la celda de batería B1, mientras que el pulso negativo se forma conectando la celda B1 en paralelo con R1.For example, in case 1 of Figure 20, cell B3 and cell B4 are used as a DC source to apply the positive pulse in battery cell B1, while the negative pulse is formed by connecting cell B1 in parallel with R1.
La corriente de excitación y la señal de la tensión de respuesta se capturan en el dominio del tiempo y se transforman en el dominio de la frecuencia mediante el uso de DFT (transformada discreta de Fourier). A partir de las señales de tensión y corriente en el dominio de la frecuencia, se puede calcular una impedancia de CA de la batería como se ilustra en la Figura 21. Como se muestra en la Figura 21, la impedancia de resonancia (Rim) representa el valor más bajo de la impedancia de CA, lo que indica que la parte imaginaria de la impedancia (Im {Z} =0) es igual a cero. De hecho, la parte real es la única parte que permanece alrededor de 1 kHz (que es la frecuencia de resonancia). En consecuencia, en el punto de frecuencia de resonancia, las impedancias capacitiva e inductiva se anulan entre sí y, por lo tanto, la impedancia de la batería se vuelve puramente resistiva, lo que se denomina impedancia de resonancia o resistencia interna de la celda de batería. RIM se puede llevar a cabo en las celdas de batería independientemente de sus niveles de SoC, puesto que no hay efecto de los niveles de SoC en el valor Rim.The drive current and response voltage signal are captured in the time domain and transformed into the frequency domain using DFT (Discrete Fourier Transform). From the voltage and current signals in the frequency domain, an AC impedance of the battery can be calculated as illustrated in Figure 21. As shown in Figure 21, the resonance impedance (R im ) represents the lowest value of the AC impedance, indicating that the imaginary part of the impedance (Im {Z} =0) is equal to zero. In fact, the real part is the only part that stays around 1 kHz (which is the resonant frequency). Consequently, at the resonant frequency point, the capacitive and inductive impedances cancel each other out, and thus the battery impedance becomes purely resistive, which is called the resonant impedance or internal resistance of the battery cell. drums. RIM can be performed on battery cells regardless of their SoC levels, since there is no effect of SoC levels on the R im value.
La impedancia de resonancia (Rim) se ha calculado a partir de la zona de impedancia mínima, así como de la capacidad de diferentes tipos de batería mediante el uso de diferentes perfiles de ciclo de vida. Por lo tanto, independientemente o para su uso con cualquiera de las realizaciones de la presente invención, se proporcionan procedimientos, sistemas y dispositivos adaptados para determinar la relación entre el SoH y la impedancia de resonancia realizando el cálculo (véase la Figura 22) de la ecuación 1:The resonance impedance ( Rim) has been calculated from the minimum impedance zone as well as the capacity of different types of battery by using different life cycle profiles. Therefore, independently or for use with any of the embodiments of the present invention, methods, systems and devices are provided adapted to determine the relationship between SoH and resonance impedance by performing the calculation (see Figure 22) of the equation 1:
Donde C es una constante de calibración, que se puede utilizar para ajustar los límites de confianza de la curva. El valor de las constantes A y B se basan principalmente en el valor inicial de la impedancia de CA que a menudo se declara en la ficha técnica de la batería. Al 100% SoH dejar VSoH 4- C que SoH+C+C sea alrededor del 10%, donde C es una constante < 1% (p. ej., ~ 0,1537%). Dado que A y B son constantes, se pueden calcular de la siguiente manera:where C is a calibration constant, which can be used to fit the confidence limits of the curve. The value of constants A and B are mainly based on the initial value of the AC impedance which is often declared on the battery data sheet. At 100% SoH let VSoH 4- C SoH+C+C be about 10%, where C is a constant < 1% (eg, ~0.1537%). Since A and B are constants, they can be calculated as follows:
Por lo tanto, estas constantes se calculan mediante el uso de las ecuaciones 2 y 3:Therefore, these constants are calculated by using Equations 2 and 3:
B = (R im lm íx (3) B = (R im lm ix (3)
Donde Rnc es la impedancia de resonancia inicial, (Rim)máx es el valor máximo de la impedancia de resonancia. La ecuación (1) se puede reescribir de la siguiente manera:Where Rnc is the initial resonance impedance, ( Rim)max is the maximum value of the resonance impedance. Equation (1) can be rewritten as follows:
r . — A -I--------------lm VSoH C r . — A -I-------------- lm VSoH C
Para validar el modelo de envejecimiento, se sometieron a esta prueba baterías con diferentes tipos de química y tasas de capacidad y los resultados del SoH obtenidos se compararon con los resultados del SoH calculados mediante una prueba de capacidad basada en la capacidad restante y nominal de la batería. La Tabla 1 incluye una comparación de los resultados, y se puede observar que la diferencia en la estimación del SoH entre los dos procedimientos (impedancia de CA a la frecuencia de resonancia y prueba de capacidad) es de alrededor del 3%.To validate the aging model, batteries with different chemistry types and capacity rates were subjected to this test and the SoH results obtained were compared with the SoH results calculated by a capacity test based on the nominal and remaining capacity of the battery. drums. Table 1 includes a comparison of the results, and it can be seen that the difference in SoH estimation between the two procedures (AC impedance at resonance frequency and capacitance test) is around 3%.
Tabla 1: validación de la estimación del SoHTable 1: Validation of the SoH estimate
El SoH real se midió realizando pruebas de capacidad a 1 lt antes de aplicar el RIM para estimar el SoH de las celdas Cn {Ah) The actual SoH was measured by performing capacity tests at 1 lt before applying the RIM to estimate the SoH of the Cn {Ah) cells.
de batería usadas. It (amperios) (corriente de prueba de referencia) se define como 1 ^ , donde Cn es la capacidad nominal de la celda y n es la base de tiempo (h). Como se puede observar en la Figura 24, la línea continua representa una diferencia cero entre el SoH real y el previsto. Si bien las celdas de las baterías de iones de litio se han sometido a prueba bajo diferentes condiciones de carga, es importante señalar que el mayor error obtenido fue del 4,1%. De hecho, el error promedio de los datos de validación (27 puntos) es del 2,8%.used battery. It (amps) (reference test current) is defined as 1^, where Cn is the cell rating and n is the time base (h). As can be seen in Figure 24, the solid line represents a zero difference between the actual and predicted SoH. Although lithium-ion battery cells have been tested under different load conditions, it is important to note that the largest error obtained was 4.1%. In fact, the average error of the validation data (27 points) is 2.8%.
Además, estas determinaciones de impedancia de CA a 1 kHz o también conocido como "procedimiento de impedancia de la resonancia" (RIM) se han realizado para estimar el estado de salud (SoH) de las celdas de la batería de iones de litio. Además, este procedimiento proporciona un régimen de prueba rápido, simple y exacto para someter a prueba, caracterizar y clasificar las baterías usadas de segunda vida. Todas las celdas de batería usadas se han sometido a un modo de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) potenciostática aplicando una tensión de CA pequeña (p. ej., 10 mV) sobre la tensión de CC de la batería y midiendo la corriente de respuesta dentro del intervalo de frecuencias de 50 mHz a 10 kHz mediante el uso de un dispositivo de espectroscopía de impedancia biológica y el software EC-lab V10,21. Para realizar este procedimiento, se han utilizado los resultados de EIS de 43 celdas de batería de iones de litio comerciales (LFP, NMC) para comprobar la capacidad de uso del RIM para estimar el SoH de las celdas de batería de iones de litio. La Tabla 2 ilustra los tipos de química de las celdas sometidas a prueba, indicando la forma de la batería y la capacidad de las celdas de batería de alta potencia y alta energía.Furthermore, these AC impedance determinations at 1 kHz or also known as "resonance impedance procedure" (RIM) have been performed to estimate the state of health (SoH) of lithium-ion battery cells. In addition, this procedure provides a fast, simple, and accurate testing regimen for testing, characterizing, and classifying used second-life batteries. All used battery cells have been subjected to a potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy (EIS) mode by applying a small AC voltage (e.g. 10mV) over the DC voltage of the battery and measuring the response current within the frequency range of 50 mHz to 10 kHz by using a biological impedance spectroscopy device and EC-lab V10,21 software. To perform this procedure, the EIS results of 43 commercial lithium-ion battery cells (LFP, NMC) have been used to check the ability to use the RIM to estimate the SoH of lithium-ion battery cells. Table 2 illustrates the cell chemistry types tested, indicating the battery shape and capacity of high power, high energy battery cells.
Tabla 2: Especificaciones técnicas de las celdas de batería de iones de litio sometidas a pruebaTable 2: Technical specifications of lithium-ion battery cells tested
La impedancia de resonancia se ha medido a 1 kHz para todas las celdas de batería probadas, que se han sometido a diferentes pruebas de envejecimiento. La relación entre el estado de salud (%) y la impedancia Rim se muestran en la Figura 23. Está claro a partir de esta Figura que el valor de Rim está fuertemente relacionado con el estado de salud de la batería para todas las celdas de batería sometidas a prueba. De la Figura 23, los resultados de EIS revelan que la relación entre SoH y Rim solo parecía ser lineal entre el 100% del SoH y el 80% del SoH. Sin embargo, está claro que esta relación se volvió no lineal cuando el SoH de las celdas de la batería disminuyó por debajo del 80% del SoH. Resonance impedance has been measured at 1 kHz for all tested battery cells, which have been subjected to different aging tests. The relationship between health status (%) and Rim impedance are shown in Figure 23. It is clear from this Figure that Rim value is strongly related to battery health status for all battery cells. tested. From Figure 23, the EIS results reveal that the relationship between SoH and Rim only appeared to be linear between 100% SoH and 80% SoH. However, it is clear that this relationship became non-linear when the SoH of the battery cells decreased below 80% SoH.
Los procedimientos de estas realizaciones se pueden usar para identificar el final de la vida útil de baterías usadas o de segunda vida, por ejemplo, en aplicaciones estacionarias. Con estos procedimientos, la duración de la batería se puede predecir en función del valor de impedancia de la resonancia. El SoH más bajo de la batería de primera vida típicamente es de aproximadamente el 80%. A partir del modelo de envejecimiento según las realizaciones de la presente invención, la diferencia de la impedancia de resonancia se divide por la diferencia del SoH asociada para calcular la tasa de aumento de Rm p. ej., por cada unidad de cambio del SoH, p. ej., por cada 1% de disminución en el SoH.The methods of these embodiments can be used to identify the end of life of used or second life batteries, for example, in stationary applications. With these procedures, the battery life can be predicted based on the impedance value of the resonance. The lowest SoH of the first life battery is typically about 80%. From the aging model according to the realizations of the In the present invention, the resonance impedance difference is divided by the associated SoH difference to calculate the rate of increase of Rm p. e.g., for each unit change of SoH, e.g. eg, for every 1% decrease in SoH.
Para las baterías sometidas a prueba en el intervalo del 100% al 80% del SoH, el valor de Rim aumenta 0,08 mQ con cada 1% que disminuye del SoH. La tasa de aumento de Rim aumenta con la disminución del SoH de la batería. Luego, por ejemplo, para el intervalo del 20% al 0% del SoH, el valor de Rim aumenta rápidamente en alrededor de 2,13 mQ con cada 1% que disminuye del SoH. En consecuencia, las celdas de la batería que funcionan con un SoH del 20% al 0% pueden calentarse como consecuencia del aumento de su impedancia interna y también pueden hincharse. Además, las celdas de la batería a menos del 20% del SoH no pueden proporcionar energía durante más de 12 min a 11t.For batteries tested in the range of 100% to 80% SoH, the Rim value increases by 0.08 mQ with each 1% decrease in SoH. Rim rate of rise increases with decreasing battery SoH. Then, for example, for the range from 20% to 0% SoH, the Rim value increases rapidly by about 2.13 mQ with every 1% SoH decrease. Consequently, battery cells operating at 20% to 0% SoH may become hot due to their increased internal impedance and may also swell. Also, battery cells at less than 20% SoH cannot provide power for more than 12 min at 11t.
Un procedimiento de evaluación basado en valores RIM para someter a prueba y clasificar baterías de segunda vida para determinar qué celdas de batería se consideran reutilizables según una realización de la presente invención incluye las siguientes etapas después de que las celdas usadas se hayan examinado visualmente para separar las celdas/módulos con daño físico evidente, fugas, capas oxidadas, deformación de la celda u otros signos de abuso, el procedimiento que comprende las etapas: verificación de la tensión mediante la cual se realizará una medición de tensión para identificar celdas/módulos que hayan fallado (por ejemplo, debido a cortocircuitos o separadores secos), yAn evaluation procedure based on RIM values for testing and classifying second life batteries to determine which battery cells are considered reusable according to one embodiment of the present invention includes the following steps after the used cells have been visually examined to separate cells/modules with obvious physical damage, leaks, oxidized layers, cell deformation, or other signs of abuse, the procedure comprising the steps: voltage verification whereby a voltage measurement will be performed to identify cells/modules that have failed (for example, due to short circuits or dry separators), and
proceso de evaluación mediante el cual se estima el SoH aplicando la metodología de impedancia de la resonancia y utilizando el modelo genérico de envejecimiento.evaluation process by which the SoH is estimated by applying the resonance impedance methodology and using the generic aging model.
Para medir la impedancia de CA de las celdas de la batería, se puede usar un dispositivo EIS para generar una forma de onda sinusoidal a 1 kHz sobre la tensión de CC de las celdas de la batería y medir la corriente de respuesta. En la práctica, debido al uso de una señal sinusoidal muy pequeña (aproximadamente 10 mV o 10 mA), se necesita un filtro avanzado y un algoritmo sólido para calcular la impedancia de CA y eliminar la influencia del ruido y la interferencia de los dispositivos circundantes. Por lo tanto, se puede diseñar una señal periódica (es decir, en forma de onda cuadrada) a baja frecuencia (aproximadamente 100 mHz) con un filtro de paso bajo sencillo para evitar la influencia del ruido o cualquier interferencia en la unidad de medida. Este procedimiento se puede implementar fuera de línea para someter a prueba y clasificar las celdas de batería de segunda vida o en línea como una función del sistema de gestión de batería para estimar el SoH de las celdas de batería.To measure the AC impedance of the battery cells, an EIS device can be used to generate a 1 kHz sinusoidal waveform over the DC voltage of the battery cells and measure the response current. In practice, due to the use of a very small sinusoidal signal (approximately 10 mV or 10 mA), an advanced filter and robust algorithm is needed to calculate the AC impedance and eliminate the influence of noise and interference from surrounding devices. . Therefore, a periodic signal (i.e. in the form of a square wave) at a low frequency (approximately 100 mHz) can be designed with a simple low-pass filter to avoid the influence of noise or any interference in the measurement unit. This procedure can be implemented offline to test and classify second life battery cells or online as a function of the battery management system to estimate the SoH of the battery cells.
Los procedimientos según la presente invención se pueden realizar mediante una unidad (9) de control con capacidad de procesamiento tal como la proporcionada por uno o más microprocesadores, FPGA o una unidad central de procesamiento (CPU) y/o una unidad de procesamiento de gráficos (GPU), y que está adaptada para llevar a cabo las funciones respectivas mediante la programación con software, es decir, uno o más programas informáticos. Las referencias a software pueden abarcar cualquier tipo de programa en cualquier lenguaje ejecutable directa o indirectamente por un procesador, ya sea a través de un lenguaje compilado o interpretativo. La implementación de cualquiera de los procedimientos de la presente invención puede realizarse mediante circuitos lógicos, hardware electrónico, procesadores o circuitos que pueden abarcar cualquier tipo de circuitos lógicos o analógicos, integrados en cualquier grado, y sin limitarse a procesadores de propósito general, procesadores de señales digitales, ASIC, FPGA, componentes discretos o puertas lógicas de transistores y similares.The methods according to the present invention can be carried out by a control unit (9) with processing capacity such as that provided by one or more microprocessors, FPGA or a central processing unit (CPU) and/or a graphics processing unit (GPU), and which is adapted to carry out the respective functions by programming with software, that is, one or more computer programs. References to software may include any type of program in any language executable directly or indirectly by a processor, either through a compiled or interpretive language. The implementation of any of the methods of the present invention can be carried out by means of logic circuits, electronic hardware, processors or circuits that can include any type of logic or analog circuits, integrated to any degree, and without being limited to general purpose processors, processors of digital signals, ASICs, FPGAs, discrete components or transistor logic gates and the like.
Dicha unidad (9) de control puede tener memoria (tal como un medio no transitorio legible por ordenador, RAM y/o ROM), un sistema operativo, opcionalmente una pantalla tal como una pantalla de formato fijo, puertos para dispositivos de entrada de datos tal como un teclado, un dispositivo puntero tal como un "ratón", puertos en serie o paralelos para comunicar otros dispositivos, tarjetas de red y conexiones para conectarse a cualquiera de las redes. Said control unit (9) may have memory (such as a non-transient computer readable medium, RAM and/or ROM), an operating system, optionally a display such as a fixed format display, ports for data input devices such as a keyboard, a pointing device such as a "mouse", serial or parallel ports to communicate with other devices, network cards and connections to connect to any of the networks.
El software se puede adaptar para realizar un procedimiento de gestión para dispositivos de almacenamiento de energía recargables que comprende celdas de almacenamiento de energía conectadas en serie y dispositivos de conmutación para dividir las celdas de energía conectadas en serie en grupos de celdas, el procedimiento que comprende: activar los dispositivos de conmutación para seleccionar cualquier equilibrado de celdas con alimentación externa o con alimentación interna y una prueba de diagnóstico con alimentación interna. El software se puede incorporar en un producto de programa informático adaptado para llevar a cabo las funciones detalladas a continuación cuando el software se carga en el controlador y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento, tal como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc. Por lo tanto, una unidad (9) de control para su uso con cualquiera de las realizaciones de la presente invención puede incorporar un sistema informático que puede ejecutar una o más aplicaciones informáticas en forma de software informático.The software can be adapted to perform a management method for rechargeable energy storage devices comprising series-connected energy storage cells and switching devices for dividing the series-connected energy cells into groups of cells, the method comprising : Enable switching devices to select either externally powered or internally powered cell balancing and an internally powered diagnostic test. The software may be incorporated into a computer program product adapted to perform the functions detailed below when the software is loaded into the controller and executed on one or more processing engines, such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc. Thus, a control unit 9 for use with any embodiment of the present invention may incorporate a computer system that can run one or more computer applications in the form of computer software.
El procedimiento anterior se puede realizar mediante uno o más programas de aplicaciones informáticas que se ejecutan en el sistema informático cargándolos en una memoria y se ejecutan en o están asociadas con un sistema operativo, tal como, Windows™ suministrado por Microsoft Corp, USA, Linux, Android o similar. El sistema informático puede incluir una memoria principal, preferiblemente una memoria de acceso aleatorio (RAM), y también puede incluir una unidad de disco duro no transitoria y/o una memoria no transitoria extraíble y/o una memoria de estado sólido no transitoria. La memoria extraíble no transitoria puede ser un disco óptico tal como un disco compacto (CD-ROM o DVD-ROM), una cinta magnética, que se lee y se escribe mediante un lector adecuado. La memoria extraíble no transitoria puede ser un medio legible por ordenador que tenga almacenados software y/o datos informáticos. La memoria de almacenamiento no volátil se puede utilizar para almacenar información persistente que no debería perderse si se apaga el sistema informático. Los programas de aplicación pueden usar y almacenar información en la memoria no volátil.The above method can be performed by one or more computer application programs running on the computer system by loading them into memory and running on or associated with an operating system, such as, Windows™ supplied by Microsoft Corp, USA, Linux , Android or similar. The computer system may include main memory, preferably random access memory (RAM), and may also include a non-transient hard disk drive and/or removable non-transient memory and/or non-transient solid-state memory. The non-transient removable memory can be an optical disc such as a compact disc (CD-ROM or DVD-ROM), a magnetic tape, which is read and written by a suitable reader. Removable memory is not transient may be a computer-readable medium on which computer software and/or data are stored. Non-volatile storage memory can be used to store persistent information that should not be lost if the computer system is powered off. Application programs can use and store information in non-volatile memory.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para realizar las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento, tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.: un dispositivo óhmico individual que determina el nivel de la corriente de equilibrado, y/oThe software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines, such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc.: a individual ohmic device that determines the level of the balancing current, and/or
un dispositivo óhmico adicional conectado en paralelo con el dispositivo óhmico individual para cambiar el valor de la resistencia para determinar el nivel de la corriente de equilibrado.an additional ohmic device connected in parallel with the individual ohmic device to change the resistance value to determine the balance current level.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.: activación de los dispositivos de conmutación bidireccional y unidireccional para seleccionar los modos de funcionamiento.The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc.: activation bidirectional and unidirectional switching devices to select operating modes.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento, tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.:The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines, such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc. :
Usar un grupo de celdas para aplicar una corriente de excitación para someter a prueba otro grupo de celdas. Una etapa posterior es medir una señal de la tensión de respuesta en la corriente de excitación.Using one group of cells to apply a drive current to test another group of cells. A subsequent step is to measure a response voltage signal on the drive current.
El software incorporado en el producto de programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.: los modos de equilibrado de alimentación externa en modo de equilibrado pasivo durante la carga o descarga del RESS, y/o equilibrado de celdas con alimentación interna en un equilibrado de modo en serie y en paralelo durante un tiempo de reposo.The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc.: external power balancing modes in passive balancing mode during charging or discharging of the RESS, and/or internally powered cell balancing in a series and parallel mode balancing during a sleep time.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para realizar las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.: un modo de equilibrado pasivo que protege las celdas de almacenamiento de energía recargables contra la sobrecarga o la sobredescarga.The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc.: a mode passive balancing that protects rechargeable energy storage cells from overcharging or overdischarging.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.: un modo en serie y en paralelo que realiza el equilibrado completo de las celdas de almacenamiento de energía recargables durante un tiempo de reposo.The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc.: a series and parallel mode that performs full balancing of rechargeable energy storage cells during a sleep time.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento, tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.:The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines, such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc. :
convertir las señales de la tensión de respuesta del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia mediante el uso de una transformada discreta de Fourier y medios para calcular la impedancia de CA en función de los niveles de frecuencia. Una etapa posterior es calcular una impedancia de CA para estimar el SoH de las celdas de almacenamiento de energía recargables.converting the response voltage signals from the time domain to the frequency domain using a discrete Fourier transform and means for calculating AC impedance as a function of frequency levels. A later stage is to calculate an AC impedance to estimate the SoH of the rechargeable energy storage cells.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento, tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.: estimación del SoH de las celdas de almacenamiento de energía recargables mediante el uso de un modelo genérico de envejecimiento.The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines, such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc. : estimation of the SoH of rechargeable energy storage cells using a generic aging model.
El software incorporado en el producto del programa informático está adaptado para llevar a cabo las siguientes funciones cuando el software se carga en el dispositivo o dispositivos respectivos y se ejecuta en uno o más motores de procesamiento, tales como microprocesadores, ASIC, FPGA, etc.:The software embedded in the computer program product is adapted to perform the following functions when the software is loaded onto the respective device(s) and executed on one or more processing engines, such as microprocessors, ASICs, FPGAs, etc. :
El modelo genérico de envejecimiento relaciona la impedancia de resonancia con el estado de carga, por ejemplo, enThe generic aging model relates the resonance impedance to the state of charge, for example, in
DD
Rlm = A .Rlm = A.
el modelo, la impedancia de resonancia se define por: vsoh+c ■ en el cual A, B y C son constantes.the model, the resonance impedance is defined by: v soh+c ■ in which A, B and C are constants.
Cualquiera de los programas anteriores puede implementarse como un producto de programa informático que se ha compilado para un motor de procesamiento en cualquiera de los servidores o nodos de la red. El producto del programa informático puede almacenarse en un medio de almacenamiento de señal no transitorio, tal como un disco óptico (CD-ROM o DVD-ROM), una cinta magnética digital, un disco magnético, una memoria de estado sólido tal como una memoria flash USB, una ROM, etc. Any of the above programs may be implemented as a computer program product that has been compiled for a processing engine on any of the servers or nodes in the network. The computer program product may be stored on a non-transient signal storage medium, such as an optical disk (CD-ROM or DVD-ROM), a digital magnetic tape, a magnetic disk, a solid-state memory such as a memory USB flash, a ROM, etc.
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